JP6545954B2 - Semiconductor device - Google Patents
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Description
本発明は、物、方法、または、製造方法に関する。または、本発明は、プロセス、マシン、マニュファクチャ、または、組成物(コンポジション・オブ・マター)に関する。特に、本発明の一態様は、半導体装置、表示装置、発光装置、蓄電装置、記憶装置、それらの駆動方法、または、それらの製造方法に関する。 The present invention relates to an object, a method, or a method of manufacturing. Alternatively, the present invention relates to a process, a machine, a manufacture, or a composition (composition of matter). In particular, one embodiment of the present invention relates to a semiconductor device, a display device, a light-emitting device, a power storage device, a memory device, a driving method thereof, or a manufacturing method thereof.
なお、本明細書等において、半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置全般を指す。トランジスタ、半導体回路は、半導体装置の一態様である。また、演算装置、記憶装置、撮像装置、電気光学装置、発電装置(薄膜太陽電池、有機薄膜太陽電池等を含む)、及び電子機器は半導体装置を有している場合がある。 Note that in this specification and the like, a semiconductor device refers to any device that can function by utilizing semiconductor characteristics. The transistor and the semiconductor circuit are one embodiment of a semiconductor device. In addition, an arithmetic device, a memory device, an imaging device, an electro-optical device, a power generation device (including a thin film solar cell, an organic thin film solar cell, and the like), and an electronic device may include a semiconductor device.
半導体材料を用いてトランジスタを構成する技術が注目されている。該トランジスタは集積回路(IC)や画像表示装置(単に表示装置とも表記する)のような電子デバイスに広く応用されている。トランジスタに適用可能な半導体材料としてシリコン系半導体材料が広く知られているが、その他の材料として酸化物半導体が注目されている。 A technique for forming a transistor using a semiconductor material has attracted attention. The transistor is widely applied to electronic devices such as integrated circuits (ICs) and image display devices (also simply referred to as display devices). Although silicon-based semiconductor materials are widely known as semiconductor materials applicable to transistors, oxide semiconductors have attracted attention as other materials.
例えば、酸化物半導体として酸化亜鉛、またはIn−Ga−Zn系酸化物半導体を用いてトランジスタを作製する技術が開示されている(特許文献1及び特許文献2参照)。 For example, a technique for manufacturing a transistor using zinc oxide or an In—Ga—Zn-based oxide semiconductor as an oxide semiconductor is disclosed (see Patent Documents 1 and 2).
また、近年では電子機器の高性能化、小型化、または軽量化に伴い、微細化されたトランジスタなどの半導体素子を高密度に集積した集積回路の要求が高まっている。 Further, in recent years, with the advancement of performance, miniaturization, and weight reduction of electronic devices, there is an increasing demand for integrated circuits in which semiconductor elements such as miniaturized transistors are integrated at high density.
本発明の一態様は、微細化に適した半導体装置を提供することを課題の一とする。または、回路面積を縮小した半導体装置を提供することを課題の一とする。 An object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device suitable for miniaturization. Another object is to provide a semiconductor device with a reduced circuit area.
または、信頼性の高い半導体装置を提供することを課題の一とする。または、半導体装置に良好な電気特性を付与することを課題の一とする。または、保持特性の良好な記憶素子を有する半導体装置を提供することを課題の一とする。または、新規な構成の半導体装置を提供することを課題の一とする。 Another object is to provide a highly reliable semiconductor device. Another object is to provide semiconductor devices with favorable electrical characteristics. Another object is to provide a semiconductor device having a memory element with favorable retention characteristics. Another object is to provide a semiconductor device having a novel structure.
なお、これらの課題の記載は、他の課題の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、これらの課題の全てを解決する必要はないものとする。なお、これら以外の課題は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の課題を抽出することが可能である。 Note that the descriptions of these objects do not disturb the existence of other objects. Note that in one embodiment of the present invention, it is not necessary to solve all of these problems. In addition, problems other than these are naturally apparent from the description of the specification, drawings, claims and the like, and it is possible to extract the problems other than these from the description of the specification, drawings, claims and the like. It is.
本発明の一態様は、容量素子と、第1のトランジスタと、を有し、第1のトランジスタは第1の半導体層を有し、第1の半導体層は容量素子の上方に位置し、容量素子は第1のトランジスタと電気的に接続する第1の電極を有する、半導体装置である。また上記構成において、容量素子は、m層(mは3以上の自然数)の導電層およびn層(nは自然数)の絶縁膜を有し、第1の絶縁膜は第1の導電層と第2の導電層に挟まれ、第2の絶縁膜は第2の導電層と第3の導電層に挟まれ、第1の導電層と第3の導電層は電気的に接続することが好ましい。 One embodiment of the present invention includes a capacitor and a first transistor, the first transistor includes a first semiconductor layer, and the first semiconductor layer is located above the capacitor, the capacitor The element is a semiconductor device having a first electrode electrically connected to the first transistor. In the above structure, the capacitor includes the m-layer (m is a natural number of 3 or more) conductive layer and the n-layer (n is a natural number) insulating film, and the first insulating film includes the first conductive layer and the first conductive layer. The second conductive film is preferably sandwiched between the second conductive layer and the third conductive layer, and the first conductive layer is preferably electrically connected to the third conductive layer.
または、本発明の一態様は、容量素子と、第1のトランジスタと、第2のトランジスタと、を有し、第1のトランジスタは第1の半導体層を有し、容量素子はn層(nは自然数)の絶縁膜と、k層(kは2以上の自然数)の導電層と、を有し、n層の絶縁膜のそれぞれは、少なくとも2層の導電層により挟まれ、第1のトランジスタは、第2のトランジスタの上方に位置し、第1の半導体層は容量素子の上方に位置し、容量素子が有するn層(nは自然数)の絶縁膜は、第1のトランジスタと、第2のトランジスタとの間に位置し、容量素子は第1のトランジスタのソースまたはドレインのいずれかと接続する第1の電極を有する半導体装置である。 Alternatively, one embodiment of the present invention includes a capacitor, a first transistor, and a second transistor, the first transistor includes a first semiconductor layer, and the capacitor includes n layers (n Has a natural number insulating film and a k layer (k is a natural number of 2 or more) conductive layers, and each of the n insulating films is sandwiched by at least two conductive layers, and the first transistor Is located above the second transistor, the first semiconductor layer is located above the capacitive element, and the n-layer (n is a natural number) insulating film included in the capacitive element is the first transistor and the second transistor. And a capacitive element is a semiconductor device having a first electrode connected to either the source or the drain of the first transistor.
また上記構成において、n層の絶縁膜は、水素、水、および酸素の少なくともいずれかをブロックする機能を有することが好ましい。また上記構成において、n層の絶縁膜は、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化窒化ガリウム、酸化イットリウム、酸化窒化イットリウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウムのうち、少なくとも一を含むことが好ましい。 In the above configuration, the insulating film of the n layer preferably has a function of blocking at least one of hydrogen, water, and oxygen. In the above structure, the insulating film of the n layer is at least one of silicon nitride, silicon nitride oxide, aluminum oxide, aluminum oxide nitride, gallium oxide, gallium oxide nitride, yttrium oxide, yttrium oxide nitride, hafnium oxide, and hafnium oxide nitride. It is preferable to include one.
また上記構成において、容量素子と、第1のトランジスタが重なることが好ましい。 In the above structure, the capacitor and the first transistor preferably overlap with each other.
また上記構成において、第1のトランジスタは、第1の半導体層に第1の開口部が設けられ、第1の電極は、第1の開口部に接することが好ましい。 In the above structure, it is preferable that in the first transistor, the first opening be provided in the first semiconductor layer and the first electrode be in contact with the first opening.
また上記構成において、第1のトランジスタは第1の導電層および第2の導電層を有し、第1の導電層および第2の導電層は、第1の半導体層に接し、第1のトランジスタが有する第1の半導体層および第1の導電層には開口部が設けられ、第1の電極は、第1の半導体層および第1の導電層に設けられた開口部と接することが好ましい。 In the above structure, the first transistor has a first conductive layer and a second conductive layer, and the first conductive layer and the second conductive layer are in contact with the first semiconductor layer, and the first transistor It is preferable that an opening be provided in the first semiconductor layer and the first conductive layer which the semiconductor device has, and the first electrode be in contact with the opening provided in the first semiconductor layer and the first conductive layer.
本発明の一態様により、微細化に適した半導体装置を提供することができる。また、回路面積を縮小した半導体装置を提供することができる。 According to one embodiment of the present invention, a semiconductor device suitable for miniaturization can be provided. In addition, a semiconductor device with a reduced circuit area can be provided.
また、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。また、半導体装置に良好な電気特性を付与することができる。また、保持特性の良好な記憶素子を有する半導体装置を提供することができる。また、新規な構成の半導体装置を提供することができる。 In addition, a highly reliable semiconductor device can be provided. Further, favorable electrical characteristics can be given to the semiconductor device. Further, a semiconductor device having a memory element with favorable holding characteristics can be provided. In addition, a semiconductor device with a novel configuration can be provided.
なお、これらの効果の記載は、他の効果の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、必ずしも、これらの効果の全てを有する必要はない。なお、これら以外の効果は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の効果を抽出することが可能である。 Note that the description of these effects does not disturb the existence of other effects. Note that one embodiment of the present invention does not necessarily have all of these effects. Note that effects other than these are naturally apparent from the description of the specification, drawings, claims and the like, and other effects can be extracted from the descriptions of the specification, drawings, claims and the like. It is.
実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。但し、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。 Embodiments will be described in detail with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the following description, and it can be easily understood by those skilled in the art that various changes can be made in the form and details without departing from the spirit and the scope of the present invention. Therefore, the present invention should not be construed as being limited to the description of the embodiments below.
なお、以下に説明する発明の構成において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、その繰り返しの説明は省略する。また、同様の機能を指す場合には、ハッチパターンを同じくし、特に符号を付さない場合がある。 Note that in the structures of the invention described below, the same portions or portions having similar functions are denoted by the same reference numerals in different drawings, and description of such portions is not repeated. In addition, when referring to the same function, the hatch pattern may be the same and no reference numeral may be given.
なお、本明細書で説明する各図において、各構成の大きさ、層の厚さ、または領域は、明瞭化のために誇張されている場合がある。よって、必ずしもそのスケールに限定されない。 Note that in the drawings described herein, the size of each component, the thickness of a layer, or the area may be exaggerated for clarity. Therefore, it is not necessarily limited to the scale.
なお、本明細書等における「第1」、「第2」等の序数詞は、構成要素の混同を避けるために付すものであり、数的に限定するものではない。 Note that ordinal numbers such as “first”, “second” and the like in the present specification and the like are attached to avoid confusion of constituent elements, and are not limited numerically.
なお、「半導体」と表記した場合でも、例えば、導電性が十分低い場合は「絶縁体」としての特性を有する場合がある。また、「半導体」と「絶縁体」は境界が曖昧であり、厳密に区別できない場合がある。したがって、本明細書に記載の「半導体」は、「絶縁体」と言い換えることができる場合がある。同様に、本明細書に記載の「絶縁体」は、「半導体」と言い換えることができる場合がある。 Even when the term "semiconductor" is used, for example, in the case where the conductivity is sufficiently low, it may have characteristics as an "insulator". In addition, “semiconductor” and “insulator” may have vague boundaries and may not be distinguishable from each other. Thus, the "semiconductor" described herein may be rephrased as an "insulator". Similarly, the "insulator" described herein may be paraphrased as a "semiconductor".
また、「半導体」と表記した場合でも、例えば、導電性が十分高い場合は「導電体」としての特性を有する場合がある。また、「半導体」と「導電体」は境界が曖昧であり、厳密に区別できない場合がある。したがって、本明細書に記載の「半導体」は、「導電体」と言い換えることができる場合がある。同様に、本明細書に記載の「導電体」は、「半導体」と言い換えることができる場合がある。 Moreover, even when it describes as a "semiconductor", when electroconductivity is high enough, for example, it may have the characteristic as a "conductor." In addition, the boundaries between the "semiconductor" and the "conductor" may be vague and indistinguishable in some cases. Therefore, the "semiconductor" described in this specification may be rephrased as "conductor". Similarly, "conductor" described herein may be rephrased as "semiconductor".
トランジスタは半導体素子の一種であり、電流や電圧の増幅や、導通または非導通を制御するスイッチング動作などを実現することができる。本明細書におけるトランジスタは、IGFET(Insulated Gate Field Effect Transistor)や薄膜トランジスタ(TFT:Thin Film Transistor)を含む。 A transistor is a type of semiconductor element and can realize amplification of current or voltage, switching operation to control conduction or non-conduction, and the like. The transistor in the present specification includes an insulated gate field effect transistor (IGFET) and a thin film transistor (TFT).
本明細書において、「平行」とは、二つの直線が−10°以上10°以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、−5°以上5°以下の場合も含まれる。また、「概略平行」とは、二つの直線が−30°以上30°以下の角度で配置されている状態をいう。また、「垂直」とは、二つの直線が80°以上100°以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、85°以上95°以下の場合も含まれる。また、「概略垂直」とは、二つの直線が60°以上120°以下の角度で配置されている状態をいう。 In the present specification, “parallel” refers to a state in which two straight lines are arranged at an angle of −10 ° or more and 10 ° or less. Therefore, the case of -5 degrees or more and 5 degrees or less is also included. Moreover, "generally parallel" means the state by which two straight lines are arrange | positioned by the angle of -30 degrees or more and 30 degrees or less. Also, "vertical" means that two straight lines are arranged at an angle of 80 ° or more and 100 ° or less. Therefore, the case of 85 degrees or more and 95 degrees or less is also included. Moreover, "generally perpendicular" means a state in which two straight lines are arranged at an angle of 60 ° or more and 120 ° or less.
また、本明細書において、結晶が三方晶または菱面体晶である場合、六方晶系として表す。 In the present specification, when a crystal is trigonal or rhombohedral, it is represented as a hexagonal system.
(実施の形態1)
[積層構造の構成例]
以下では、本発明の一態様の半導体装置に適用することのできる積層構造の一例を図1を用いて説明する。
Embodiment 1
[Configuration example of laminated structure]
Hereinafter, an example of a stack structure which can be applied to the semiconductor device of one embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
図1(A)に示す積層構造は、トランジスタ100および容量素子150を有する。トランジスタ100は容量素子150の上方に位置する。また、容量素子150は、トランジスタ100と電気的に接続している。 The stacked structure illustrated in FIG. 1A includes a transistor 100 and a capacitor 150. The transistor 100 is located above the capacitive element 150. In addition, the capacitor 150 is electrically connected to the transistor 100.
また、トランジスタ100の半導体層101は、低抵抗領域171aおよび低抵抗領域171bを有してもよい。低抵抗領域171aおよび低抵抗領域171bはソース領域またはドレイン領域として機能することが好ましい。また、低抵抗領域171aおよび低抵抗領域171bは不純物が添加されていてもよい。不純物を添加することにより半導体層101の抵抗を下げることができる。添加する不純物としては、例えばアルゴン、ホウ素、炭素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、カルシウム、スカンジウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、ガリウム、ゲルマニウム、ヒ素、イットリウム、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、インジウム、スズ、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステンから選択された一種以上を添加することが好ましい。低抵抗領域171aおよび低抵抗領域171bは例えば、半導体層101中に、上述の不純物元素を5×1019atoms/cm3以上、好ましくは1×1020atoms/cm3以上、さらに好ましくは2×1020atoms/cm3以上、より好ましくは5×1020atoms/cm3以上含む領域である。 The semiconductor layer 101 of the transistor 100 may have a low resistance region 171 a and a low resistance region 171 b. The low resistance region 171a and the low resistance region 171b preferably function as a source region or a drain region. The low resistance region 171a and the low resistance region 171b may be doped with an impurity. By adding an impurity, the resistance of the semiconductor layer 101 can be reduced. As impurities to be added, for example, argon, boron, carbon, magnesium, aluminum, silicon, phosphorus, calcium, scandium, titanium, vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, gallium, germanium, arsenic, yttrium, zirconium, niobium It is preferable to add one or more selected from molybdenum, indium, tin, lanthanum, cerium, neodymium, hafnium, tantalum and tungsten. The low-resistance region 171 a and the low-resistance region 171 b may be, for example, 5 × 10 19 atoms / cm 3 or more, preferably 1 × 10 20 atoms / cm 3 or more, more preferably 2 × in the semiconductor layer 101. It is a region containing 10 20 atoms / cm 3 or more, more preferably 5 × 10 20 atoms / cm 3 or more.
また、図1(A)に示す積層構造は、トランジスタ130を有してもよい。また、トランジスタ100とトランジスタ130の間に、バリア膜111を有することが好ましい。容量素子150は導電層151と導電層152を有し、バリア膜111が導電層151と導電層152に挟まれた構造を有する。 The stacked structure illustrated in FIG. 1A may include the transistor 130. In addition, a barrier film 111 is preferably provided between the transistor 100 and the transistor 130. The capacitor 150 includes a conductive layer 151 and a conductive layer 152, and has a structure in which the barrier film 111 is sandwiched between the conductive layer 151 and the conductive layer 152.
ここで、図1(B)は、図1(A)に示す一点鎖線A−Bにおける断面を示す。ここで一点鎖線A−Bにおける断面とは例えば、一点鎖線A−Bを通り、図1(A)に示す断面におおよそ垂直な断面である。なお、図1(B)において符号が省略されている箇所があるが、図1(A)と同じハッチ等を用いて示す箇所は、例えば図1(A)を参照すればよい。 Here, FIG. 1B illustrates a cross section along dashed-dotted line A-B illustrated in FIG. Here, the cross section along the alternate long and short dash line A-B is, for example, a cross section approximately perpendicular to the cross section shown in FIG. 1A, passing the alternate long and short dash line AB. Note that although there are places where reference numerals are omitted in FIG. 1B, for example, the same hatches as those in FIG. 1A may be referred to, for example, FIG. 1A.
トランジスタ130は、第1の半導体材料を含んで構成される。また、トランジスタ100は第2の半導体材料を含んで構成される。第1の半導体材料と第2の半導体材料は、同一の材料であってもよいが、異なる半導体材料とすることが好ましい。 The transistor 130 is configured to include the first semiconductor material. In addition, the transistor 100 includes the second semiconductor material. The first semiconductor material and the second semiconductor material may be the same material, but are preferably different semiconductor materials.
第1の半導体材料、または第2の半導体材料として用いることのできる半導体としては、例えばシリコンやゲルマニウムやガリウムやヒ素などの半導体材料、シリコンやゲルマニウムやガリウムやヒ素やアルミニウムなどを有する化合物半導体材料、有機半導体材料、または酸化物半導体材料などが挙げられる。 Examples of the semiconductor that can be used as the first semiconductor material or the second semiconductor material include semiconductor materials such as silicon, germanium, gallium and arsenic, and compound semiconductor materials having silicon, germanium, gallium, arsenic, aluminum, and the like. Organic semiconductor materials or oxide semiconductor materials can be mentioned.
ここでは、第1の半導体材料として単結晶シリコンを、第2の半導体材料として酸化物半導体を用いた場合について説明する。 Here, a case where single crystal silicon is used as the first semiconductor material and an oxide semiconductor is used as the second semiconductor material will be described.
トランジスタ100は第2の半導体材料で形成された半導体層101、ゲート絶縁膜102、ゲート電極103、プラグ121およびプラグ122を有する。また、絶縁膜112および絶縁膜113は、トランジスタ100を覆うように形成されている。プラグ121は、絶縁膜113、絶縁膜112および半導体層101に設けられた開口部に接し、容量素子150と接続している。すなわち、プラグ121は、絶縁膜113、絶縁膜112および半導体層101を貫通するように形成される。 The transistor 100 includes a semiconductor layer 101 formed of a second semiconductor material, a gate insulating film 102, a gate electrode 103, a plug 121, and a plug 122. The insulating film 112 and the insulating film 113 are formed to cover the transistor 100. The plug 121 is in contact with an opening portion provided in the insulating film 113, the insulating film 112, and the semiconductor layer 101, and is connected to the capacitor 150. That is, the plug 121 is formed to penetrate the insulating film 113, the insulating film 112, and the semiconductor layer 101.
バリア膜111は、これよりも下層から水及び水素が上層に拡散することを抑制する機能を有する層である。また、バリア膜111は酸素透過性が低いことが好ましい。また、バリア膜111はこの上方に設けられる電極または配線と、下方に設けられる電極または配線とを電気的に接続するための開口やプラグを有していてもよい。例えば、図1に示すようにプラグ121と、導電層151とを電気的に接続するプラグを有する。ここで、水および水素の拡散を抑制する、とは、例えば一般的に絶縁膜として用いられる酸化シリコン等と比較して、水および水素を拡散しにくい又は透過性が低いことを示す。また、酸素透過性が低いとは、一般的に絶縁膜として用いられる酸化シリコン等と比較して、酸素の透過性が低いことを示す。 The barrier film 111 is a layer having a function of suppressing the diffusion of water and hydrogen from the lower layer to the upper layer. The barrier film 111 preferably has low oxygen permeability. In addition, the barrier film 111 may have an opening or a plug for electrically connecting an electrode or a wiring provided thereabove and an electrode or a wiring provided below it. For example, as illustrated in FIG. 1, the plug 121 electrically connects the plug 121 and the conductive layer 151. Here, suppressing the diffusion of water and hydrogen indicates that water and hydrogen are less likely to diffuse or have low permeability, as compared with, for example, silicon oxide generally used as an insulating film. In addition, low oxygen permeability means that oxygen permeability is low compared to silicon oxide or the like generally used as an insulating film.
絶縁膜112はバリア膜111と同様、水や水素が拡散しにくい材料を用いることが好ましい。また、特に、絶縁膜112として酸素を透過しにくい材料を用いることが好ましい。なお、絶縁膜112を2層以上の積層構造としてもよい。その場合には、例えば絶縁膜112を2層の積層構造とし、下層に例えば酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、窒化アルミニウムなどを用いればよい。また上層にはバリア膜111と同様に水や水素が拡散しにくい材料を用いることが好ましい。また下層に設ける絶縁膜は、絶縁膜114と同様の、加熱により酸素が脱離する絶縁膜としてゲート絶縁膜102を介して半導体層101の上側からも酸素を供給する構成としてもよい。 Similar to the barrier film 111, the insulating film 112 is preferably made of a material to which water or hydrogen does not easily diffuse. In particular, a material which hardly transmits oxygen is preferably used as the insulating film 112. Note that the insulating film 112 may have a stacked structure of two or more layers. In that case, for example, the insulating film 112 has a stacked structure of two layers, and silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, silicon nitride, aluminum oxide, aluminum oxynitride, aluminum nitride oxide, aluminum nitride, or the like is used in the lower layer. Just do it. In the upper layer, it is preferable to use a material to which water or hydrogen does not easily diffuse as in the barrier film 111. The insulating film provided in the lower layer may be configured to supply oxygen also from the upper side of the semiconductor layer 101 through the gate insulating film 102 as an insulating film from which oxygen is released by heating, as in the case of the insulating film 114.
酸素を透過しにくい材料を含む絶縁膜112で半導体層101を覆うことで、半導体層101から絶縁膜112よりも上方に酸素が放出されることを抑制することができる。さらに、絶縁膜114から脱離した酸素を絶縁膜112よりも下側に閉じ込めることができるため、半導体層101に供給しうる酸素の量を増大させることができる。 By covering the semiconductor layer 101 with the insulating film 112 containing a material which does not easily transmit oxygen, release of oxygen from the semiconductor layer 101 above the insulating film 112 can be suppressed. Further, oxygen released from the insulating film 114 can be confined below the insulating film 112, whereby the amount of oxygen which can be supplied to the semiconductor layer 101 can be increased.
また、水や水素を透過しにくい絶縁膜112により、外部から酸化物半導体にとっての不純物である水や水素が混入することを抑制でき、トランジスタ100の電気特性の変動が抑制され、信頼性の高いトランジスタを実現できる。 In addition, the insulating film 112 which hardly transmits water and hydrogen can suppress entry of water and hydrogen which are impurities for the oxide semiconductor from the outside, which can suppress variation in electric characteristics of the transistor 100 and has high reliability. A transistor can be realized.
なお、絶縁膜112よりも下側に、絶縁膜114と同様の、加熱により酸素が脱離する絶縁膜を設け、ゲート絶縁膜102を介して半導体層101の上側からも酸素を供給する構成としてもよい。 Note that an insulating film similar to the insulating film 114 from which oxygen is released by heating is provided below the insulating film 112, and oxygen is also supplied from the upper side of the semiconductor layer 101 through the gate insulating film 102. It is also good.
また、容量素子150は、トランジスタ100と重なるように形成されることが好ましい。容量素子150とトランジスタ100の重なる領域を大きくすることにより、半導体装置の面積を縮小することができる。 The capacitor 150 is preferably formed to overlap with the transistor 100. By increasing the overlapping region of the capacitor 150 and the transistor 100, the area of the semiconductor device can be reduced.
図1に示す半導体装置は、トランジスタ100と容量素子150の間に絶縁膜114を有する。絶縁膜114は、酸化物を含むことが好ましい。特に加熱により一部の酸素が脱離する酸化物材料を含むことが好ましい。好適には、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物を用いることが好ましい。第2の半導体材料として酸化物半導体を用いた場合、絶縁膜114から脱離した酸素が酸化物半導体に供給され、酸化物半導体中の酸素欠損を低減することが可能となる。その結果、第2のトランジスタの電気特性の変動を抑制し、信頼性を高めることができる。 The semiconductor device illustrated in FIG. 1 includes the insulating film 114 between the transistor 100 and the capacitor 150. The insulating film 114 preferably contains an oxide. In particular, it is preferable to include an oxide material from which part of oxygen is released by heating. Preferably, it is preferable to use an oxide containing more oxygen than the stoichiometric composition. In the case where an oxide semiconductor is used as the second semiconductor material, oxygen released from the insulating film 114 is supplied to the oxide semiconductor, and oxygen vacancies in the oxide semiconductor can be reduced. As a result, fluctuations in the electrical characteristics of the second transistor can be suppressed and the reliability can be improved.
ここで、バリア膜111よりも下層では、水素や水などを出来る限り低減させておくことが好ましい。あるいは、脱離ガスを抑制することが好ましい。水素や水は酸化物半導体にとって電気特性の変動を引き起こす要因となりうる。またバリア膜111を介して下層から上層へ拡散する水素や水は、バリア膜111により抑制することができるが、バリア膜111に設けられる開口やプラグ等を介して水素や水が上層に拡散してしまう場合がある。 Here, in the lower layer than the barrier film 111, it is preferable to reduce hydrogen, water and the like as much as possible. Alternatively, it is preferable to suppress the desorbed gas. Hydrogen or water can be a factor that causes variation in electrical characteristics of an oxide semiconductor. Further, although hydrogen and water diffused from the lower layer to the upper layer through the barrier film 111 can be suppressed by the barrier film 111, hydrogen and water diffuse into the upper layer through an opening or a plug provided in the barrier film 111. There is a possibility that
バリア膜111よりも下層に位置する各層に含まれる水素や水を低減させるため、あるいは脱離ガスを抑制するため、バリア膜111を形成する前、またはバリア膜111に導電層等を形成するための開口を形成した直後に、バリア膜111よりも下層に含まれる水素や水を除去するため、あるいは脱離ガスを抑制するための加熱処理を施すことが好ましい。半導体装置を構成する導電膜などの耐熱性や、トランジスタの電気特性が劣化しない程度であれば、加熱処理の温度は高いほど好ましい。具体的には、例えば450℃以上、好ましくは490℃以上、より好ましくは530℃以上の温度とすればよいが、650℃以上で行ってもよい。不活性ガス雰囲気下または減圧雰囲気下で1時間以上、好ましくは5時間以上、より好ましくは10時間以上の加熱処理を行うことが好ましい。バリア膜111よりも下層に位置する配線または電極の材料の耐熱性を考慮して決定すればよいが、例えば当該材料の耐熱性が低い場合には、550℃以下、または600℃以下、または650℃以下、または800℃以下の温度で行えばよい。またこのような加熱処理は、少なくとも1回以上行えばよいが、複数回行うとより好ましい。 In order to reduce hydrogen and water contained in each layer located below the barrier film 111 or to suppress desorption gas, before forming the barrier film 111 or forming a conductive layer or the like on the barrier film 111 Immediately after the opening is formed, heat treatment is preferably performed to remove hydrogen and water contained in the lower layer than the barrier film 111 or to suppress desorption gas. The heat treatment temperature is preferably as high as possible, as long as the heat resistance of a conductive film or the like included in the semiconductor device and the electrical characteristics of the transistor are not deteriorated. Specifically, the temperature may be, for example, 450 ° C. or more, preferably 490 ° C. or more, more preferably 530 ° C. or more, but it may be 650 ° C. or more. Heat treatment is preferably performed for 1 hour or more, preferably 5 hours or more, more preferably 10 hours or more under an inert gas atmosphere or a reduced pressure atmosphere. It may be determined in consideration of the heat resistance of the material of the wiring or the electrode located below the barrier film 111. For example, when the heat resistance of the material is low, the temperature is 550 ° C. or less, 600 ° C. or less, or 650 The temperature may be lower than or equal to 0 ° C., or lower than or equal to 800 ° C. Such heat treatment may be performed at least once or more, but is more preferably performed plural times.
バリア膜111より下層に設けられる絶縁膜は、昇温脱離ガス分光法分析(TDS分析ともよぶ)によって測定される、基板表面温度が400℃での水素分子の脱離量が、300℃で水素分子の脱離量の130%以下、好ましくは110%以下であることが好ましい。または、TDS分析によって基板表面温度が450℃での水素分子の脱離量が、350℃での脱離量の130%以下、好ましくは110%以下であることが好ましい。 The insulating film provided below the barrier film 111 has a desorption amount of hydrogen molecules at a substrate surface temperature of 400 ° C. of 300 ° C., which is measured by thermal desorption spectroscopy analysis (also referred to as TDS analysis). It is preferable that it is 130% or less, preferably 110% or less of the amount of desorption of hydrogen molecules. Alternatively, it is preferable that the desorption amount of hydrogen molecules at a substrate surface temperature of 450 ° C. is 130% or less, preferably 110% or less of the desorption amount at 350 ° C. according to TDS analysis.
また、バリア膜111自体に含まれる水や水素も低減されていることが好ましい。あるいは脱離ガスを抑制されていることが好ましい。例えばバリア膜111として、TDS分析によって基板表面温度が20℃から600℃の範囲における水素分子(M/z=2)の脱離量が、2×1015個/cm2未満、好ましくは1×1015個/cm2未満、より好ましくは5×1014個/cm2未満である材料をバリア膜111に用いることが好ましい。または、TDS分析によって基板表面温度が20℃から600℃の範囲における水分子(M/z=18)の脱離量が、1×1016個/cm2未満、好ましくは5×1015個/cm2未満、より好ましくは2×1012個/cm2未満である材料をバリア膜111に用いることが好ましい。 Further, it is preferable that water and hydrogen contained in the barrier film 111 itself are also reduced. Alternatively, it is preferable that the desorbed gas be suppressed. For example, as the barrier film 111, the desorption amount of hydrogen molecules (M / z = 2) in a substrate surface temperature range of 20 ° C. to 600 ° C. by TDS analysis is less than 2 × 10 15 / cm 2 , preferably 1 × It is preferable to use a material which is less than 10 15 pieces / cm 2 , more preferably less than 5 × 10 14 pieces / cm 2 for the barrier film 111. Alternatively, the desorption amount of water molecules (M / z = 18) in the substrate surface temperature range of 20 ° C. to 600 ° C. is less than 1 × 10 16 / cm 2 , preferably 5 × 10 15 / cm 2 according to TDS analysis. It is preferable to use a material which is less than cm 2 , more preferably less than 2 × 10 12 pieces / cm 2 for the barrier film 111.
また、トランジスタ130の半導体層に単結晶シリコンを用いた場合では、当該加熱処理は、シリコンの不対結合手(ダングリングボンドともいう)を水素によって終端化する処理(水素化処理とも呼ぶ)を兼ねることができる。水素化処理によりトランジスタ130のゲート絶縁膜や、バリア膜111より下層に形成されるその他の絶縁膜に含まれる水素の一部が脱離して第1のトランジスタの半導体層に拡散し、シリコン中のダングリングボンドを終端させることで、第1のトランジスタの信頼性を向上させることができる。 In the case where single crystal silicon is used for the semiconductor layer of the transistor 130, the heat treatment is a treatment (also referred to as hydrogenation treatment) of terminating unpaired silicon bonds (also referred to as dangling bonds) with hydrogen. It can double as well. Part of hydrogen contained in the gate insulating film of the transistor 130 and the other insulating film formed under the barrier film 111 is removed by hydrogenation treatment, and is diffused into the semiconductor layer of the first transistor to be contained in silicon. By terminating the dangling bond, the reliability of the first transistor can be improved.
バリア膜111に用いることのできる材料としては、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO3)または(Ba,Sr)TiO3(BST)などのいわゆるhigh−k材料を含む絶縁膜を単層または積層で用いることができる。またはこれらの絶縁膜に例えば酸化アルミニウム、酸化ビスマス、酸化ゲルマニウム、酸化ニオブ、酸化シリコン、酸化チタン、酸化タングステン、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ガリウウムを添加してもよい。またはこれらの絶縁膜を窒化処理して酸化窒化膜としてもよい。上記の絶縁膜に酸化シリコン、酸化窒化シリコンまたは窒化シリコンを積層して用いてもよい。特に、酸化アルミニウムは水や水素に対するバリア性に優れているため好ましい。 As materials that can be used for the barrier film 111, aluminum oxide, hafnium oxide, tantalum oxide, zirconium oxide, lead zirconate titanate (PZT), strontium titanate (SrTiO 3 ) or (Ba, Sr) TiO 3 (BST) can be used. Etc.) can be used in a single layer or a stack. Alternatively, for example, aluminum oxide, bismuth oxide, germanium oxide, germanium oxide, niobium oxide, silicon oxide, titanium oxide, tungsten oxide, tungsten oxide, yttrium oxide, zirconium oxide, or gallium oxide may be added to these insulating films. Alternatively, these insulating films may be nitrided to form an oxynitride film. Silicon oxide, silicon oxynitride, or silicon nitride may be stacked over the above insulating film. In particular, aluminum oxide is preferable because of its excellent barrier property to water and hydrogen.
バリア膜111は水や水素を透過しにくい材料の層のほかに、他の絶縁材料を含む層を積層させて用いてもよい。例えば、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを含む層、金属酸化物を含む層などを積層させて用いてもよい。 The barrier film 111 may be formed by stacking a layer containing another insulating material in addition to a layer of a material which is not easily permeable to water or hydrogen. For example, a layer containing silicon oxide or silicon oxynitride, a layer containing a metal oxide, or the like may be stacked.
また、バリア膜111は、酸素を透過しにくい材料を用いることが好ましい。上述した材料は、水素、水に加え酸素に対してもバリア性に優れた材料である。このような材料を用いることで、絶縁膜114を加熱した時に放出される酸素がバリア膜111よりも下層に拡散することを抑制することができる。その結果、絶縁膜114から放出され、トランジスタ100の半導体層に供給されうる酸素の量を増大させることができる。 In addition, it is preferable that the barrier film 111 be made of a material which hardly transmits oxygen. The above-mentioned materials are materials excellent in barrier properties against hydrogen and water as well as oxygen. By using such a material, oxygen released when the insulating film 114 is heated can be prevented from diffusing to a lower layer than the barrier film 111. As a result, the amount of oxygen which is released from the insulating film 114 and can be supplied to the semiconductor layer of the transistor 100 can be increased.
このように、バリア膜111よりも下層に位置する各層に含まれる水素や水の濃度を減少する、または水素や水を除去し、または脱離ガスを抑制し、さらにバリア膜111により水素や水がトランジスタ100へ拡散することを抑制する。そのため、絶縁膜114や、トランジスタ100を構成する各層における水素及び水の含有量を、極めて低いものとすることができる。例えば、絶縁膜114、トランジスタ100の半導体層101、またはゲート絶縁膜102に含まれる水素濃度を5×1018cm−3未満、好ましくは1×1018cm−3未満、さらに好ましくは3×1017cm−3未満にまで低減することができる。 As described above, the concentration of hydrogen or water contained in each layer positioned lower than the barrier film 111 is reduced, or hydrogen or water is removed, or desorption gas is suppressed, and the hydrogen or water is further reduced by the barrier film 111. Can be prevented from diffusing into the transistor 100. Therefore, the contents of hydrogen and water in the insulating film 114 and the layers included in the transistor 100 can be extremely low. For example, the hydrogen concentration in the insulating film 114, the semiconductor layer 101 of the transistor 100, or the gate insulating film 102 is less than 5 × 10 18 cm −3 , preferably less than 1 × 10 18 cm −3 , more preferably 3 × 10 It can be reduced to less than 17 cm- 3 .
以上の構成により、第1のトランジスタと第2のトランジスタのいずれにおいても高い信頼性を両立することが可能となり、極めて信頼性の高い半導体装置を実現できる。 With the above-described structure, high reliability can be compatible in any of the first transistor and the second transistor, and a highly reliable semiconductor device can be realized.
なお、導電層152は、トランジスタ100のチャネル領域と重なるように配置してもよい。その場合の例を、図34(A)および図34(B)に示す。図34(B)は、図34(A)に示す一点鎖線A−Bにおける断面である。なお、導電層152は、トランジスタ100のゲート電極としての機能を有することもできる。例えば、このゲート電極に、一定の電位を供給することにより、トランジスタ100のしきい値電圧を制御することが出来る。 Note that the conductive layer 152 may be arranged to overlap with the channel region of the transistor 100. An example in that case is shown in FIGS. 34 (A) and 34 (B). FIG. 34B is a cross section along dashed-dotted line A-B in FIG. 34A. Note that the conductive layer 152 can also function as a gate electrode of the transistor 100. For example, the threshold voltage of the transistor 100 can be controlled by supplying a constant potential to the gate electrode.
また、本発明の一態様の半導体装置に適用することのできる積層構造の一例を図2、図3、図4(A)及び(B)に示す。図2に示すように、容量素子150は3以上の導電層を積層して形成してもよい。導電層151、導電層153aおよび導電層153bはプラグ121、プラグ126およびプラグ127を介して電気的に接続し、容量素子150の一方の電極を形成している。また、図示しないが導電層152、導電層154aおよび導電層154cは電気的に接続し、容量素子150の他方の電極を形成している。 Further, an example of a stack structure which can be applied to the semiconductor device of one embodiment of the present invention is shown in FIGS. 2, 3, 4A, and 4B. As shown in FIG. 2, the capacitor 150 may be formed by stacking three or more conductive layers. The conductive layer 151, the conductive layer 153a, and the conductive layer 153b are electrically connected to each other through the plug 121, the plug 126, and the plug 127, and one electrode of the capacitor 150 is formed. Although not shown, the conductive layer 152, the conductive layer 154a, and the conductive layer 154c are electrically connected to form the other electrode of the capacitor 150.
また、図3に示すように、プラグ126やプラグ127の両側に導電層を形成してもよい。導電層151、導電層153aおよび導電層153bはプラグ121、プラグ126およびプラグ127を介して電気的に接続し、容量素子150の一方の電極を形成している。また、図示しないが導電層152、導電層152b、導電層154a、導電層154b、導電層154cおよび導電層154dは電気的に接続し、容量素子150の他方の電極を形成している。 Further, as shown in FIG. 3, conductive layers may be formed on both sides of the plug 126 and the plug 127. The conductive layer 151, the conductive layer 153a, and the conductive layer 153b are electrically connected to each other through the plug 121, the plug 126, and the plug 127, and one electrode of the capacitor 150 is formed. Although not illustrated, the conductive layer 152, the conductive layer 152b, the conductive layer 154a, the conductive layer 154b, the conductive layer 154c, and the conductive layer 154d are electrically connected to form the other electrode of the capacitor 150.
また、図4(A)に示すように、トランジスタ100は半導体層101に接する導電層104aおよび導電層104bを有してもよい。なお図4(B)は、図4(A)に示す一点鎖線A−Bにおける断面である。導電層104aおよび導電層104bはソース電極またはドレイン電極としての機能を有する。また、トランジスタ100は導電層105を有してもよい。導電層105は、トランジスタ100の第2のゲートとして機能してもよい。導電層105に、ソース電極よりも低い電圧または高い電圧を印加し、トランジスタのしきい値電圧をプラス方向またはマイナス方向へ変動させてもよい。例えば、トランジスタのしきい値電圧をプラス方向に変動させることで、ゲート電圧が0Vであってもトランジスタが非導通状態(オフ状態)となる、ノーマリーオフが実現できる場合がある。なお、導電層105に印加する電圧は、可変であってもよいし、固定であってもよい。導電層105に印加する電圧を可変にする場合、電圧を制御する回路を導電層105に接続してもよい。 Further, as illustrated in FIG. 4A, the transistor 100 may include a conductive layer 104 a and a conductive layer 104 b in contact with the semiconductor layer 101. 4B is a cross section taken along dashed-dotted line A-B in FIG. 4A. The conductive layer 104a and the conductive layer 104b function as a source electrode or a drain electrode. The transistor 100 may also have a conductive layer 105. The conductive layer 105 may function as a second gate of the transistor 100. A voltage lower or higher than that of the source electrode may be applied to the conductive layer 105, and the threshold voltage of the transistor may be changed in the positive direction or the negative direction. For example, by varying the threshold voltage of the transistor in the positive direction, there may be a case where normally-off can be realized in which the transistor is turned off (off) even when the gate voltage is 0 V. Note that the voltage applied to the conductive layer 105 may be variable or fixed. In the case where the voltage applied to the conductive layer 105 is variable, a circuit for controlling the voltage may be connected to the conductive layer 105.
また、導電層105は、ゲート電極103と接続してもよい。 In addition, the conductive layer 105 may be connected to the gate electrode 103.
[構成例]
図5(A)は、本発明の一態様の半導体装置の回路図の一例である。図5(A)に示す半導体装置は、トランジスタ100と、トランジスタ130と、容量素子150と、配線BLと、配線WLと、配線CLとを有する。
[Example of configuration]
FIG. 5A is an example of a circuit diagram of a semiconductor device of one embodiment of the present invention. The semiconductor device illustrated in FIG. 5A includes the transistor 100, the transistor 130, the capacitor 150, the wiring BL, the wiring WL, and the wiring CL.
トランジスタ130は、ソースまたはドレインの一方が配線BLと電気的に接続し、他方が配線SLと電気的に接続し、ゲートがトランジスタ100のソースまたはドレインの一方及び容量素子150の一方の電極と電気的に接続する。トランジスタ100は、ソースまたはドレインの他方が配線BLと電気的に接続し、ゲートが配線WLと電気的に接続する。容量素子150は、他方の電極が配線CLと電気的に接続する。また配線BGはトランジスタ100の第2のゲートと電気的に接続する。なお、トランジスタ130のゲートと、トランジスタ100のソースまたはドレインの一方と、容量素子150の一方の電極の間のノードをノードFNと呼ぶ。 In the transistor 130, one of the source and the drain is electrically connected to the wiring BL, the other is electrically connected to the wiring SL, and a gate is electrically connected to one of the source or the drain of the transistor 100 and one electrode of the capacitor 150. Connect. In the transistor 100, the other of the source and the drain is electrically connected to the wiring BL, and the gate is electrically connected to the wiring WL. The other electrode of the capacitor 150 is electrically connected to the wiring CL. The wiring BG is electrically connected to the second gate of the transistor 100. Note that a node between the gate of the transistor 130, one of the source or the drain of the transistor 100, and one of the electrodes of the capacitor 150 is referred to as a node FN.
図5(A)に示す半導体装置は、トランジスタ100が導通状態(オン状態)の時に配線BLの電位に応じた電位を、ノードFNに与える。また、トランジスタ100が非導通状態(オフ状態)のときに、ノードFNの電位を保持する機能を有する。すなわち、図5(A)に示す半導体装置は、記憶装置のメモリセルとしての機能を有する。なお、ノードFNと電気的に接続する液晶素子や有機EL(Electroluminescence)素子などの表示素子を有する場合、図5(A)の半導体装置は表示装置の画素として機能させることもできる。 The semiconductor device illustrated in FIG. 5A applies a potential corresponding to the potential of the wiring BL to the node FN when the transistor 100 is in a conductive state (on state). In addition, the transistor 100 has a function of holding the potential of the node FN when the transistor 100 is nonconductive (off). That is, the semiconductor device illustrated in FIG. 5A functions as a memory cell of a memory device. Note that in the case of including a display element such as a liquid crystal element or an organic EL (Electroluminescence) element electrically connected to the node FN, the semiconductor device in FIG. 5A can also function as a pixel of the display device.
トランジスタ100の導通状態、非導通状態の選択は、配線WLまたは配線BGに与える電位によって制御することができる。また配線WLまたは配線BGに与える電位によってトランジスタ100のしきい値電圧を制御することができる。トランジスタ100として、オフ電流の小さいトランジスタを用いることによって、非導通状態におけるノードFNの電位を長期間に渡って保持することができる。したがって、半導体装置のリフレッシュ頻度を低減することができるため、消費電力の小さい半導体装置を実現することができる。なお、オフ電流の小さいトランジスタの一例として、酸化物半導体を用いたトランジスタが挙げられる。 The selection of the conductive state or the non-conductive state of the transistor 100 can be controlled by the potential applied to the wiring WL or the wiring BG. The threshold voltage of the transistor 100 can be controlled by the potential supplied to the wiring WL or the wiring BG. With the use of a transistor with low off current as the transistor 100, the potential of the node FN in the non-conductive state can be held for a long time. Therefore, since the refresh frequency of the semiconductor device can be reduced, a semiconductor device with low power consumption can be realized. Note that a transistor using an oxide semiconductor can be given as an example of a transistor with low off current.
なお、配線CLには基準電位や接地電位、または任意の固定電位などの定電位が与えられる。このとき、ノードFNの電位によって、トランジスタ100の見かけ上のしきい値電圧が変動する。見かけ上のしきい値電圧の変動により、トランジスタ130の導通状態、非導通状態が変化することを利用し、ノードFNに保持された電位の情報をデータとして読み出すことができる。 Note that the wiring CL is supplied with a constant potential such as a reference potential, a ground potential, or any fixed potential. At this time, the apparent threshold voltage of the transistor 100 is changed by the potential of the node FN. Information that the potential of the node FN is held can be read as data using changes in the conductive state and the nonconductive state of the transistor 130 due to changes in the apparent threshold voltage.
なお、ノードFNに保持された電位を85℃において10年間(3.15×108秒)保持するためには、容量1fFあたり、トランジスタのチャネル幅1μmあたりのオフ電流の値が4.3yA(ヨクトアンペア:1yAは10−24A)未満であることが好ましい。このとき、許容されるノードFNの電位の変動が0.5V以内であることが好ましい。または、95℃において、上記オフ電流が1.5yA未満であることが好ましい。本発明の一態様の半導体装置は、バリア膜よりも下層の水素濃度が十分に低減されているため、その結果、その上層の酸化物半導体を用いたトランジスタは、このように極めて低いオフ電流を実現することができる。 Note that in order to maintain the potential held at the node FN for 10 years (3.15 × 10 8 seconds) at 85 ° C., the value of the off current per 1 μm channel width of the transistor is 4.3 yA per 1 fF of capacitance. It is preferred that the Yct A: 1yA is less than 10 -24 A). At this time, it is preferable that the fluctuation of the potential of the acceptable node FN is within 0.5V. Or, preferably, at 95 ° C., the off current is less than 1.5 yA. The semiconductor device of one embodiment of the present invention has a sufficiently low hydrogen concentration in the lower layer than the barrier film, and as a result, the transistor using the oxide semiconductor in the upper layer has extremely low off-state current as described above. It can be realized.
また、容量を多くすることにより、より長く、ノードFNに電位を保持することができる。つまり、保持時間を長くすることができる。 Further, by increasing the capacitance, the potential can be held longer at the node FN. That is, the holding time can be extended.
図5(A)に示す半導体装置をマトリクス状に配置することで、記憶装置(メモリセルアレイ)を構成することができる。 A memory device (memory cell array) can be formed by arranging the semiconductor devices illustrated in FIG. 5A in a matrix.
図6(A)及び(B)に、図5(A)で示した回路を実現可能な半導体装置の断面構成の一例を示す。図6(B)は、図6(A)に示す一点鎖線A−Bにおける断面である。 6A and 6B show an example of a cross-sectional configuration of a semiconductor device capable of realizing the circuit shown in FIG. 5A. FIG. 6B is a cross section taken along dashed-dotted line A-B in FIG.
図6(A)及び(B)に示す半導体装置は、トランジスタ130、トランジスタ100、及び容量素子150を有する。トランジスタ100はトランジスタ130の上方に設けられ、トランジスタ130とトランジスタ100の間には少なくとも1層以上のバリア膜が設けられている。また、半導体装置は、複数のバリア膜を形成してもよい。図6(A)及び(B)では、半導体装置がバリア膜111a乃至111eを有する例を示す。また、トランジスタ100の上面図を図5(B)に示す。図5(B)に示す破線X−X’の断面を、図6(A)のトランジスタ100として示す。また、図5(B)に示す破線Y−Y’の断面を、図6(B)のトランジスタ100として示す。 The semiconductor device illustrated in FIGS. 6A and 6B includes the transistor 130, the transistor 100, and the capacitor 150. The transistor 100 is provided above the transistor 130, and at least one or more barrier films are provided between the transistor 130 and the transistor 100. In addition, the semiconductor device may form a plurality of barrier films. 6A and 6B illustrate an example in which the semiconductor device includes the barrier films 111a to 111e. A top view of the transistor 100 is illustrated in FIG. A cross section taken along a broken line X-X 'illustrated in FIG. 5B is illustrated as the transistor 100 in FIG. A cross section taken along a broken line Y-Y 'in FIG. 5B is illustrated as the transistor 100 in FIG.
〔第1のトランジスタ〕
トランジスタ130は、半導体基板131に設けられ、半導体基板131の一部からなる半導体層132、ゲート絶縁膜134、ゲート電極135、及びソース領域またはドレイン領域として機能する低抵抗層133a及び低抵抗層133bを有する。また、図6に示す半導体装置はトランジスタ160を有してもよい。トランジスタ160はトランジスタ130とともに半導体基板131に設けられている。
[First transistor]
The transistor 130 is provided over the semiconductor substrate 131, and includes a semiconductor layer 132 formed of part of the semiconductor substrate 131, a gate insulating film 134, a gate electrode 135, and a low resistance layer 133a and a low resistance layer 133b functioning as a source region or a drain region. Have. The semiconductor device illustrated in FIG. 6 may include the transistor 160. The transistor 160 is provided on the semiconductor substrate 131 together with the transistor 130.
トランジスタ130は、pチャネル型、nチャネル型のいずれでもよいが、回路構成や駆動方法に応じて適切なトランジスタを用いればよい。 The transistor 130 may be either a p-channel transistor or an n-channel transistor, but an appropriate transistor may be used depending on the circuit configuration and the driving method.
半導体層132のチャネルが形成される領域やその近傍の領域や、ソース領域またはドレイン領域となる低抵抗層133a及び低抵抗層133b等において、シリコン系半導体などの半導体を含むことが好ましく、単結晶シリコンを含むことが好ましい。または、Ge(ゲルマニウム)、SiGe(シリコンゲルマニウム)、GaAs(ガリウムヒ素)、GaAlAs(ガリウムアルミニウムヒ素)などを有する材料で形成してもよい。結晶格子に歪みを有するシリコンを用いた構成としてもよい。またはGaAsとAlGaAs等を用いることで、トランジスタ130をHEMT(High Electron Mobility Transistor)としてもよい。 A semiconductor such as a silicon-based semiconductor is preferably included in a region where the channel of the semiconductor layer 132 is formed or a region in the vicinity thereof, and the low resistance layer 133a and the low resistance layer 133b serving as a source region or a drain region. It is preferred to include silicon. Alternatively, it may be formed using a material having Ge (germanium), SiGe (silicon germanium), GaAs (gallium arsenide), GaAlAs (gallium aluminum arsenide) or the like. A configuration in which silicon having distortion in a crystal lattice is used may be used. Alternatively, the transistor 130 may be a HEMT (High Electron Mobility Transistor) by using GaAs and AlGaAs or the like.
また、トランジスタ130は、LDD(ライトドープドレイン)領域である領域176aと領域176bを有してもよい。 In addition, the transistor 130 may include a region 176 a and a region 176 b which are LDD (lightly doped drain) regions.
低抵抗層133a及び低抵抗層133bは、半導体層132に適用される半導体材料に加え、リンなどのn型の導電性を付与する元素、またはホウ素などのp型の導電性を付与する元素を含む。 In addition to the semiconductor material applied to the semiconductor layer 132, the low-resistance layer 133a and the low-resistance layer 133b may be an element imparting n-type conductivity such as phosphorus or an element imparting p-type conductivity such as boron. Including.
ゲート電極135は、リンなどのn型の導電性を付与する元素、またはホウ素などのp型の導電性を付与する元素を含むシリコンなどの半導体材料、金属材料、合金材料、または金属酸化物材料などの導電性材料を用いることができる。特に、耐熱性と導電性を両立するタングステンやモリブデンなどの高融点材料を用いることが好ましく、特にタングステンを用いることが好ましい。 The gate electrode 135 is a semiconductor material such as silicon containing an element imparting n-type conductivity such as phosphorus or an element imparting p-type conductivity such as boron, a metal material, an alloy material, or a metal oxide material And the like can be used. In particular, it is preferable to use a high melting point material such as tungsten or molybdenum which achieves both heat resistance and conductivity, and it is particularly preferable to use tungsten.
ここで、トランジスタ130およびトランジスタ160に換えて図16に示すようなトランジスタ190およびトランジスタ191を用いてもよい。図16(A)の一点鎖線A−Bに示す断面を図16(B)に示す。トランジスタ190およびトランジスタ191はチャネルが形成される半導体層132(半導体基板の一部)が凸形状を有し、その側面及び上面に沿ってゲート絶縁膜134及びゲート電極135が設けられている。このようなトランジスタ190およびトランジスタ191は半導体基板の凸部を利用していることからFIN型トランジスタとも呼ばれる。なお、凸部の上部に接して、凸部を形成するためのマスクとして機能する絶縁膜を有していてもよい。また、ここでは半導体基板の一部を加工して凸部を形成する場合を示したが、SOI基板を加工して凸形状を有する半導体層を形成してもよい。 Here, instead of the transistor 130 and the transistor 160, a transistor 190 and a transistor 191 as shown in FIG. 16 may be used. The cross section shown to dashed-dotted line AB of FIG. 16 (A) is shown to FIG. 16 (B). In the transistor 190 and the transistor 191, the semiconductor layer 132 (part of the semiconductor substrate) in which a channel is formed has a convex shape, and the gate insulating film 134 and the gate electrode 135 are provided along the side surface and the top surface. Such a transistor 190 and a transistor 191 are also referred to as a FIN type transistor because they use the convex portion of the semiconductor substrate. Note that an insulating film which functions as a mask for forming the convex portion may be provided in contact with the upper portion of the convex portion. Further, although the case where the semiconductor substrate is partially processed to form the convex portion is shown here, the SOI substrate may be processed to form a semiconductor layer having a convex shape.
トランジスタ130を覆って、絶縁膜136、絶縁膜137、及び絶縁膜138が順に積層して設けられている。 An insulating film 136, an insulating film 137, and an insulating film 138 are sequentially stacked and provided to cover the transistor 130.
絶縁膜136は半導体装置の作製工程において、低抵抗層133a及び低抵抗層133bに添加された導電性を付与する元素の活性化の際の保護膜として機能する。絶縁膜136は不要であれば設けなくてもよい。 The insulating film 136 functions as a protective film in activating a conductive element added to the low resistance layer 133 a and the low resistance layer 133 b in the manufacturing process of the semiconductor device. The insulating film 136 may not be provided if unnecessary.
半導体層132にシリコン系半導体材料を用いた場合、絶縁膜137は水素を含む絶縁材料を含むことが好ましい。水素を含む絶縁膜137をトランジスタ130上に設け、加熱処理を行うことで絶縁膜137中の水素により半導体層132中のダングリングボンドが終端され、トランジスタ130の信頼性を向上させることができる。 In the case where a silicon-based semiconductor material is used for the semiconductor layer 132, the insulating film 137 preferably contains an insulating material containing hydrogen. By providing the insulating film 137 containing hydrogen over the transistor 130 and performing heat treatment, dangling bonds in the semiconductor layer 132 are terminated by hydrogen in the insulating film 137; thus, the reliability of the transistor 130 can be improved.
絶縁膜138はその下層に設けられるトランジスタ130などによって生じる段差を平坦化する平坦化層として機能する。絶縁膜138の上面は、その上面の平坦性を高めるためにCMP(Chemical Mechanical Polishing)法等を用いた平坦化処理により平坦化されていてもよい。 The insulating film 138 functions as a planarization layer which planarizes a step difference generated by a transistor 130 or the like provided in the lower layer. The upper surface of the insulating film 138 may be planarized by planarization treatment using a CMP (Chemical Mechanical Polishing) method or the like in order to improve the planarity of the upper surface.
また、絶縁膜136、絶縁膜137、絶縁膜138には低抵抗層133aや低抵抗層133b等と電気的に接続するプラグ140、トランジスタ130のゲート電極135と電気的に接続するプラグ139等が埋め込まれていてもよい。 The insulating film 136, the insulating film 137, and the insulating film 138 have a plug 140 electrically connected to the low resistance layer 133a, the low resistance layer 133b, and the like, a plug 139 electrically connected to the gate electrode 135 of the transistor 130, and the like. It may be embedded.
〔容量素子〕
トランジスタ130と、トランジスタ100の間には、バリア膜111が設けられている。バリア膜は単層でもよく、図6に示すように複数層でもよい。ここで、図6(A)に示す半導体装置の例では、バリア膜111a乃至バリア膜111eの5層のバリア膜を有する。バリア膜を容量素子の絶縁膜に用いる場合には、膜厚を薄くすることにより容量を高めることができる。一方、薄くすることによりバリア性が低下してしまう恐れがある。よって、薄いバリア膜を複数積層することにより、容量をより高め、かつバリア性を向上させることができ、トランジスタ100およびトランジスタ130の特性を高めることができる。
[Capacitance element]
A barrier film 111 is provided between the transistor 130 and the transistor 100. The barrier film may be a single layer or a plurality of layers as shown in FIG. Here, in the example of the semiconductor device illustrated in FIG. 6A, five barrier films including the barrier films 111a to 111e are provided. When the barrier film is used as the insulating film of the capacitor, the capacitance can be increased by reducing the film thickness. On the other hand, there is a possibility that the barrier property may be reduced by thinning. Therefore, by stacking a plurality of thin barrier films, the capacitance can be further increased and the barrier property can be improved, and the characteristics of the transistor 100 and the transistor 130 can be improved.
バリア膜を挟むように、導電層151、導電層152、導電層153a、導電層153bおよび導電層154a乃至導電層154eが設けられ、容量素子150を形成している。プラグ121、プラグ126およびプラグ127は電気的に接続されている。プラグ126はバリア膜111b、絶縁膜115bおよびバリア膜111cに設けられた開口部に形成される。導電層151、導電層153aおよび導電層153bはプラグ127とプラグ126、プラグ121を介してトランジスタ100の導電層104aと電気的に接続する。導電層151は絶縁膜115aに設けられた開口部に埋め込まれるように形成される。同様に、導電層154aおよび導電層154bは絶縁膜115bに、導電層153aは絶縁膜115cに、導電層154cおよび導電層154dは絶縁膜115dに、導電層153bは絶縁膜115eに、それぞれ設けられた開口部に埋め込まれるように形成される。 The conductive layer 151, the conductive layer 152, the conductive layer 153a, the conductive layer 153b, and the conductive layers 154a to 154e are provided to sandwich the barrier film, and the capacitor 150 is formed. The plug 121, the plug 126 and the plug 127 are electrically connected. The plug 126 is formed in an opening provided in the barrier film 111b, the insulating film 115b, and the barrier film 111c. The conductive layer 151, the conductive layer 153a, and the conductive layer 153b are electrically connected to the conductive layer 104a of the transistor 100 through the plug 127, the plug 126, and the plug 121. The conductive layer 151 is formed to be embedded in the opening provided in the insulating film 115 a. Similarly, the conductive layers 154a and 154b are provided in the insulating film 115b, the conductive layer 153a is provided in the insulating film 115c, the conductive layer 154c and the conductive layer 154d are provided in the insulating film 115d, and the conductive layer 153b is provided in the insulating film 115e. It is formed to be embedded in the opening.
また、図7は、図6(A)の一点鎖線C−Dにおける断面を示す。導電層154eはプラグ128と電気的に接続している。また、導電層154bおよび導電層154dはプラグ129a乃至プラグ129dを介してプラグ128と電気的に接続している。プラグ128は、プラグ141を介して配線142に接続している。 7 shows a cross section taken along dashed-dotted line C-D in FIG. The conductive layer 154 e is electrically connected to the plug 128. The conductive layer 154 b and the conductive layer 154 d are electrically connected to the plug 128 through the plugs 129 a to 129 d. The plug 128 is connected to the wiring 142 through the plug 141.
バリア膜111、導電層152、導電層154e等を覆って、絶縁膜114が設けられている。 An insulating film 114 is provided to cover the barrier film 111, the conductive layer 152, the conductive layer 154e, and the like.
絶縁膜114の上面は上述した平坦化処理によって平坦化されていることが好ましい。 The upper surface of the insulating film 114 is preferably planarized by the above-described planarization process.
絶縁膜114は、加熱により一部の酸素が脱離する酸化物材料を用いることが好ましい。 As the insulating film 114, it is preferable to use an oxide material from which part of oxygen is released by heating.
加熱により酸素を脱離する酸化物材料として、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物を用いることが好ましい。化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物膜は、加熱により一部の酸素が脱離する。化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物膜は、昇温脱離ガス分光法(TDS:Thermal Desorption Spectroscopy)分析にて、酸素原子に換算しての酸素の脱離量が1.0×1018atoms/cm3以上、好ましくは3.0×1020atoms/cm3以上である酸化物膜である。なお、上記TDS分析時における膜の表面温度としては100℃以上700℃以下、または100℃以上500℃以下の範囲が好ましい。 As an oxide material from which oxygen is released by heating, an oxide containing oxygen at a higher proportion than the stoichiometric composition is preferably used. In an oxide film containing more oxygen than the stoichiometric composition, part of the oxygen is released by heating. The oxide film containing more oxygen than the stoichiometric composition has an amount of released oxygen in terms of oxygen atoms in thermal desorption spectroscopy (TDS) analysis. The oxide film is an oxide film of 1.0 × 10 18 atoms / cm 3 or more, preferably 3.0 × 10 20 atoms / cm 3 or more. The surface temperature of the film at the time of TDS analysis is preferably in the range of 100 ° C. to 700 ° C., or 100 ° C. to 500 ° C.
例えばこのような材料として、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを含む材料を用いることが好ましい。または、金属酸化物を用いることもできる。金属酸化物として、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化窒化ガリウム、酸化イットリウム、酸化窒化イットリウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウム等を用いる事ができる。なお、本明細書中において、酸化窒化シリコンとは、その組成として窒素よりも酸素の含有量が多い材料を指し、窒化酸化シリコンとは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多い材料を示す。 For example, as such a material, a material containing silicon oxide or silicon oxynitride is preferably used. Alternatively, metal oxides can also be used. As the metal oxide, aluminum oxide, aluminum oxynitride, gallium oxide, gallium oxynitride, yttrium oxide, yttrium oxynitride, hafnium oxide, hafnium oxynitride, or the like can be used. In the present specification, silicon oxynitride refers to a material having a higher content of oxygen than nitrogen as its composition, and silicon nitride oxide is a material having a higher content of nitrogen than oxygen as its composition. Indicates
〔第2のトランジスタ〕
絶縁膜114の上部には、トランジスタ100の半導体層101が設けられている。
[Second transistor]
The semiconductor layer 101 of the transistor 100 is provided over the insulating film 114.
トランジスタ100は、絶縁膜114の上面に接する半導体層101と、導電層104a及び導電層104bと、半導体層101上にゲート絶縁膜102と、ゲート絶縁膜102を介して半導体層101と重なるゲート電極103と、を有する。またトランジスタ100を覆って、絶縁膜112、絶縁膜113、及び絶縁膜116が設けられている。また、トランジスタ100は、第2のゲート電極として機能する導電層105を有してもよい。 The transistor 100 includes a semiconductor layer 101 in contact with the top surface of the insulating film 114, a conductive layer 104a and a conductive layer 104b, a gate insulating film 102 over the semiconductor layer 101, and a gate electrode overlapping with the semiconductor layer 101 with the gate insulating film 102 interposed therebetween. And 103. In addition, the insulating film 112, the insulating film 113, and the insulating film 116 are provided to cover the transistor 100. In addition, the transistor 100 may include the conductive layer 105 which functions as a second gate electrode.
なお、半導体層101は、単層で形成してもよく、また図6に例示するトランジスタ100のように、半導体層101a、半導体層101bおよび半導体層101cの積層構造で形成されることがより好ましい。図6に示すトランジスタ100は、半導体層101aと、半導体層101aの上面に接する半導体層101bと、半導体層101bの上面と接し、半導体層101bと重なる領域で離間する導電層104a及び導電層104bと、半導体層101bの上面に接する半導体層101cと、半導体層101c上にゲート絶縁膜102と、ゲート絶縁膜102及び半導体層101cを介して半導体層101bと重なるゲート電極103と、を有する。また、図6に示すトランジスタ100は、第2のゲート電極として機能する導電層105を有する。導電層105は、容量素子150の一部を形成する導電層152と同時に形成してもよい。半導体層101aは、絶縁膜114と半導体層101bの間に設けられている。また、半導体層101cは、半導体層101bとゲート絶縁膜102の間に設けられている。また、導電層104aおよび導電層104bは、半導体層101bの上面に接し、半導体層101cの下面と接する。 Note that the semiconductor layer 101 may be formed as a single layer, and is preferably formed to have a stacked structure of the semiconductor layer 101a, the semiconductor layer 101b, and the semiconductor layer 101c as in the transistor 100 illustrated in FIG. . The transistor 100 illustrated in FIG. 6 includes a semiconductor layer 101a, a semiconductor layer 101b in contact with the top surface of the semiconductor layer 101a, and a conductive layer 104a and a conductive layer 104b in contact with the top surface of the semiconductor layer 101b and separated in a region overlapping with the semiconductor layer 101b. The semiconductor layer 101c is in contact with the top surface of the semiconductor layer 101b, the gate insulating film 102 over the semiconductor layer 101c, and the gate electrode 103 overlapping with the semiconductor layer 101b with the gate insulating film 102 and the semiconductor layer 101c interposed therebetween. In addition, the transistor 100 illustrated in FIG. 6 includes the conductive layer 105 which functions as a second gate electrode. The conductive layer 105 may be formed at the same time as the conductive layer 152 which forms a part of the capacitor 150. The semiconductor layer 101a is provided between the insulating film 114 and the semiconductor layer 101b. The semiconductor layer 101 c is provided between the semiconductor layer 101 b and the gate insulating film 102. The conductive layers 104a and 104b are in contact with the top surface of the semiconductor layer 101b and in contact with the bottom surface of the semiconductor layer 101c.
またトランジスタ100を覆って、絶縁膜112、絶縁膜113、及び絶縁膜116が設けられている。 In addition, the insulating film 112, the insulating film 113, and the insulating film 116 are provided to cover the transistor 100.
図6(A)に示すように、半導体層101bの側面は、導電層104aおよび導電層104bと接する。また、ゲート電極103の電界によって、半導体層101bを電気的に取り囲むことができる(導電体の電界によって、半導体を電気的に取り囲むトランジスタの構造を、surrounded channel(s−channel)構造とよぶ。)。そのため、半導体層101bの全体(バルク)にチャネルが形成される場合がある。s−channel構造では、トランジスタのソース−ドレイン間に大電流を流すことができ、導通時の電流(オン電流)を高くすることができる。 As illustrated in FIG. 6A, the side surface of the semiconductor layer 101b is in contact with the conductive layer 104a and the conductive layer 104b. Further, the semiconductor layer 101b can be electrically surrounded by the electric field of the gate electrode 103 (a structure of a transistor which electrically surrounds a semiconductor by the electric field of a conductor is referred to as a surrounded channel (s-channel) structure). . Therefore, a channel may be formed in the whole (bulk) of the semiconductor layer 101b. In the s-channel structure, a large current can flow between the source and the drain of the transistor, and the current (on-state current) when conducting can be increased.
高いオン電流が得られるため、s−channel構造は、微細化されたトランジスタに適した構造といえる。トランジスタを微細化できるため、該トランジスタを有する半導体装置は、集積度の高い、高密度化された半導体装置とすることが可能となる。例えば、トランジスタは、チャネル長が好ましくは40nm以下、さらに好ましくは30nm以下、より好ましくは20nm以下の領域を有し、かつ、トランジスタは、チャネル幅が好ましくは40nm以下、さらに好ましくは30nm以下、より好ましくは20nm以下の領域を有する。 The s-channel structure can be said to be a structure suitable for miniaturized transistors because high on-state current can be obtained. Since the transistor can be miniaturized, a semiconductor device including the transistor can be a highly integrated semiconductor device with high density. For example, the transistor has a channel length of preferably 40 nm or less, more preferably 30 nm or less, more preferably 20 nm or less, and the transistor preferably has a channel width of 40 nm or less, more preferably 30 nm or less, more Preferably, it has a region of 20 nm or less.
なお、チャネル長とは、例えば、トランジスタの上面図において、半導体(またはトランジスタがオン状態のときに半導体の中で電流の流れる部分)とゲート電極とが重なる領域、またはチャネルが形成される領域における、ソース(ソース領域またはソース電極)とドレイン(ドレイン領域またはドレイン電極)との間の距離をいう。なお、一つのトランジスタにおいて、チャネル長が全ての領域で同じ値をとるとは限らない。即ち、一つのトランジスタのチャネル長は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細書では、チャネル長は、チャネルの形成される領域における、いずれか一の値、最大値、最小値または平均値とする。 Note that the channel length is, for example, a region where a semiconductor (or a portion through which current flows in the semiconductor when the transistor is on) and a gate electrode overlap in a top view of the transistor, or a region where a channel is formed. , Source (source region or source electrode) and drain (drain region or drain electrode). Note that in one transistor, the channel length does not necessarily have the same value in all regions. That is, the channel length of one transistor may not be determined to one value. Therefore, in the present specification, the channel length is any one value, maximum value, minimum value or average value in the region where the channel is formed.
チャネル幅とは、例えば、半導体(またはトランジスタがオン状態のときに半導体の中で電流の流れる部分)とゲート電極とが重なる領域、またはチャネルが形成される領域における、ソースとドレインとが向かい合っている部分の長さをいう。なお、一つのトランジスタにおいて、チャネル幅がすべての領域で同じ値をとるとは限らない。即ち、一つのトランジスタのチャネル幅は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細書では、チャネル幅は、チャネルの形成される領域における、いずれか一の値、最大値、最小値または平均値とする。 The channel width is, for example, a region where a semiconductor (or a portion through which current flows in the semiconductor when the transistor is on) and a gate electrode overlap with each other or a region in which a channel is formed and the source and the drain face each other. Say the length of the part Note that in one transistor, the channel width may not be the same in all regions. That is, the channel width of one transistor may not be determined to one value. Therefore, in the present specification, the channel width is set to any one value, maximum value, minimum value or average value in the region where the channel is formed.
なお、トランジスタの構造によっては、実際にチャネルの形成される領域におけるチャネル幅(以下、実効的なチャネル幅と呼ぶ。)と、トランジスタの上面図において示されるチャネル幅(以下、見かけ上のチャネル幅と呼ぶ。)と、が異なる場合がある。例えば、立体的な構造を有するトランジスタでは、実効的なチャネル幅が、トランジスタの上面図において示される見かけ上のチャネル幅よりも大きくなり、その影響が無視できなくなる場合がある。例えば、微細かつ立体的な構造を有するトランジスタでは、半導体の上面に形成されるチャネル領域の割合に対して、半導体の側面に形成されるチャネル領域の割合が大きくなる場合がある。その場合は、上面図において示される見かけ上のチャネル幅よりも、実際にチャネルの形成される実効的なチャネル幅の方が大きくなる。 Note that depending on the structure of the transistor, the channel width in the region where the channel is actually formed (hereinafter, referred to as effective channel width) and the channel width shown in the top view of the transistor (hereinafter, apparent channel width) And) may be different. For example, in a transistor having a three-dimensional structure, the effective channel width may be larger than the apparent channel width shown in the top view of the transistor, and the influence may not be negligible. For example, in a transistor having a minute and three-dimensional structure, the ratio of the channel region formed on the side surface of the semiconductor may be larger than the ratio of the channel region formed on the top surface of the semiconductor. In that case, the effective channel width actually formed by the channel is larger than the apparent channel width shown in the top view.
ところで、立体的な構造を有するトランジスタにおいては、実効的なチャネル幅の、実測による見積もりが困難となる場合がある。例えば、設計値から実効的なチャネル幅を見積もるためには、半導体の形状が既知という仮定が必要である。したがって、半導体の形状が正確にわからない場合には、実効的なチャネル幅を正確に測定することは困難である。 By the way, in a transistor having a three-dimensional structure, it may be difficult to estimate the effective channel width by measurement. For example, in order to estimate the effective channel width from the design value, it is necessary to assume that the shape of the semiconductor is known. Therefore, it is difficult to accurately measure the effective channel width unless the shape of the semiconductor is accurately known.
そこで、本明細書では、トランジスタの上面図において、半導体とゲート電極とが重なる領域における、ソースとドレインとが向かい合っている部分の長さである見かけ上のチャネル幅を、「囲い込みチャネル幅(SCW:Surrounded Channel Width)」と呼ぶ場合がある。また、本明細書では、単にチャネル幅と記載した場合には、囲い込みチャネル幅または見かけ上のチャネル幅を指す場合がある。または、本明細書では、単にチャネル幅と記載した場合には、実効的なチャネル幅を指す場合がある。なお、チャネル長、チャネル幅、実効的なチャネル幅、見かけ上のチャネル幅、囲い込みチャネル幅などは、断面TEM像などを取得して、その画像を解析することなどによって、値を決定することができる。 Therefore, in this specification, in the top view of the transistor, the apparent channel width, which is the length of the portion where the source and the drain face each other in the region where the semiconductor and the gate electrode overlap, Sometimes referred to as “surrounded channel width)”. Also, in the present specification, the term “channel width only” may refer to an enclosed channel width or an apparent channel width. Alternatively, in the present specification, the term “channel width” may refer to an effective channel width. Note that the channel length, channel width, effective channel width, apparent channel width, enclosed channel width, etc. can be determined by acquiring a cross-sectional TEM image etc. and analyzing the image etc. it can.
なお、トランジスタの電界効果移動度や、チャネル幅当たりの電流値などを計算して求める場合、囲い込みチャネル幅を用いて計算する場合がある。その場合には、実効的なチャネル幅を用いて計算する場合とは異なる値をとる場合がある。 Note that in the case where electric field mobility, a current value per channel width, and the like of a transistor are obtained by calculation, a surrounded channel width may be used for the calculation. In that case, the value may be different from that calculated using the effective channel width.
なお、導電層104a(及び/又は、導電層104b)の、少なくとも一部(又は全部)は、半導体層101b(及び/又は、半導体層101a)などの半導体層の、表面、側面、上面、及び/又は、下面の少なくとも一部(又は全部)に設けられている。 Note that at least part (or all) of the conductive layer 104a (and / or the conductive layer 104b) is a surface, a side surface, a top surface, and a semiconductor layer such as the semiconductor layer 101b (and / or the semiconductor layer 101a). And / or provided on at least a part (or all) of the lower surface.
または、導電層104a(及び/又は、導電層104b)の、少なくとも一部(又は全部)は、半導体層101b(及び/又は、半導体層101a)などの半導体層の、表面、側面、上面、及び/又は、下面の少なくとも一部(又は全部)と、接触している。または、導電層104a(及び/又は、導電層104b)の、少なくとも一部(又は全部)は、半導体層101b(及び/又は、半導体層101a)などの半導体層の少なくとも一部(又は全部)と、接触している。 Alternatively, at least part (or all) of the conductive layer 104a (and / or the conductive layer 104b) is a surface, a side surface, a top surface, and a semiconductor layer such as the semiconductor layer 101b (and / or the semiconductor layer 101a). And / or contacts at least a part (or all) of the lower surface. Alternatively, at least a portion (or all) of the conductive layer 104a (and / or the conductive layer 104b) is at least a portion (or all) of a semiconductor layer such as the semiconductor layer 101b (and / or the semiconductor layer 101a). , In contact.
または、導電層104a(及び/又は、導電層104b)の、少なくとも一部(又は全部)は、半導体層101b(及び/又は、半導体層101a)などの半導体層の、表面、側面、上面、及び/又は、下面の少なくとも一部(又は全部)と、電気的に接続されている。または、導電層104a(及び/又は、導電層104b)の、少なくとも一部(又は全部)は、半導体層101b(及び/又は、半導体層101a)などの半導体層の少なくとも一部(又は全部)と、電気的に接続されている。 Alternatively, at least part (or all) of the conductive layer 104a (and / or the conductive layer 104b) is a surface, a side surface, a top surface, and a semiconductor layer such as the semiconductor layer 101b (and / or the semiconductor layer 101a). And / or electrically connected to at least part (or all) of the lower surface. Alternatively, at least a portion (or all) of the conductive layer 104a (and / or the conductive layer 104b) is at least a portion (or all) of a semiconductor layer such as the semiconductor layer 101b (and / or the semiconductor layer 101a). , Electrically connected.
または、導電層104a(及び/又は、導電層104b)の、少なくとも一部(又は全部)は、半導体層101b(及び/又は、半導体層101a)などの半導体層の、表面、側面、上面、及び/又は、下面の少なくとも一部(又は全部)に、近接して配置されている。または、導電層104a(及び/又は、導電層104b)の、少なくとも一部(又は全部)は、半導体層101b(及び/又は、半導体層101a)などの半導体層の少なくとも一部(又は全部)に、近接して配置されている。 Alternatively, at least part (or all) of the conductive layer 104a (and / or the conductive layer 104b) is a surface, a side surface, a top surface, and a semiconductor layer such as the semiconductor layer 101b (and / or the semiconductor layer 101a). And / or disposed close to at least a part (or all) of the lower surface. Alternatively, at least a part (or all) of the conductive layer 104a (and / or the conductive layer 104b) is at least a part (or all) of a semiconductor layer such as the semiconductor layer 101b (and / or the semiconductor layer 101a). , Placed in close proximity.
または、導電層104a(及び/又は、導電層104b)の、少なくとも一部(又は全部)は、半導体層101b(及び/又は、半導体層101a)などの半導体層の、表面、側面、上面、及び/又は、下面の少なくとも一部(又は全部)の横側に配置されている。または、導電層104a(及び/又は、導電層104b)の、少なくとも一部(又は全部)は、半導体層101b(及び/又は、半導体層101a)などの半導体層の少なくとも一部(又は全部)の横側に配置されている。 Alternatively, at least part (or all) of the conductive layer 104a (and / or the conductive layer 104b) is a surface, a side surface, a top surface, and a semiconductor layer such as the semiconductor layer 101b (and / or the semiconductor layer 101a). And / or is disposed on the side of at least part (or all) of the lower surface. Alternatively, at least a part (or all) of the conductive layer 104a (and / or the conductive layer 104b) is at least a part (or all) of a semiconductor layer such as the semiconductor layer 101b (and / or the semiconductor layer 101a). It is placed on the side.
または、導電層104a(及び/又は、導電層104b)の、少なくとも一部(又は全部)は、半導体層101b(及び/又は、半導体層101a)などの半導体層の、表面、側面、上面、及び/又は、下面の少なくとも一部(又は全部)の斜め上側に配置されている。または、導電層104a(及び/又は、導電層104b)の、少なくとも一部(又は全部)は、半導体層101b(及び/又は、半導体層101a)などの半導体層の少なくとも一部(又は全部)の斜め上側に配置されている。 Alternatively, at least part (or all) of the conductive layer 104a (and / or the conductive layer 104b) is a surface, a side surface, a top surface, and a semiconductor layer such as the semiconductor layer 101b (and / or the semiconductor layer 101a). And / or is disposed diagonally above at least a part (or all) of the lower surface. Alternatively, at least a part (or all) of the conductive layer 104a (and / or the conductive layer 104b) is at least a part (or all) of a semiconductor layer such as the semiconductor layer 101b (and / or the semiconductor layer 101a). It is arranged diagonally above.
または、導電層104a(及び/又は、導電層104b)の、少なくとも一部(又は全部)は、半導体層101b(及び/又は、半導体層101a)などの半導体層の、表面、側面、上面、及び/又は、下面の少なくとも一部(又は全部)の上側に配置されている。または、導電層104a(及び/又は、導電層104b)の、少なくとも一部(又は全部)は、半導体層101b(及び/又は、半導体層101a)などの半導体層の少なくとも一部(又は全部)の上側に配置されている。 Alternatively, at least part (or all) of the conductive layer 104a (and / or the conductive layer 104b) is a surface, a side surface, a top surface, and a semiconductor layer such as the semiconductor layer 101b (and / or the semiconductor layer 101a). And / or is disposed on the upper side of at least a part (or all) of the lower surface. Alternatively, at least a part (or all) of the conductive layer 104a (and / or the conductive layer 104b) is at least a part (or all) of a semiconductor layer such as the semiconductor layer 101b (and / or the semiconductor layer 101a). It is arranged on the upper side.
半導体層101は、チャネルが形成される領域において、シリコン系半導体などの半導体を含んでいてもよい。特に、半導体層101は、シリコンよりもバンドギャップの大きな半導体を含むことが好ましい。好適には、半導体層101は酸化物半導体を含んで構成される。シリコンよりもバンドギャップが広く、且つキャリア密度の小さい半導体材料を用いると、トランジスタのオフ状態における電流を低減できるため好ましい。 The semiconductor layer 101 may include a semiconductor such as a silicon-based semiconductor in a region where a channel is formed. In particular, the semiconductor layer 101 preferably includes a semiconductor having a larger band gap than silicon. Preferably, the semiconductor layer 101 includes an oxide semiconductor. It is preferable to use a semiconductor material having a wider band gap and a lower carrier density than silicon because current in the off state of the transistor can be reduced.
半導体層としてこのような材料を用いることで、電気特性の変動が抑制され、信頼性の高いトランジスタを実現できる。 By using such a material as the semiconductor layer, variation in electrical characteristics can be suppressed and a highly reliable transistor can be realized.
なお、半導体層に適用可能な酸化物半導体の好ましい形態とその形成方法については、後の実施の形態で詳細に説明する。 Note that a preferable embodiment of an oxide semiconductor which can be applied to the semiconductor layer and a formation method thereof will be described in detail in a later embodiment.
なお、本明細書等において実質的に真性という場合、酸化物半導体層のキャリア密度は、1×1017/cm3未満、1×1015/cm3未満、または1×1013/cm3未満、特に好ましくは8×1011/cm3未満、さらに好ましくは1×1011/cm3未満、さらに好ましくは1×1010/cm3未満であり、1×10−9/cm3以上であることを指す。酸化物半導体層を高純度真性化することで、トランジスタに安定した電気特性を付与することができる。 Note that in the present specification and the like, when substantially intrinsic, the carrier density of the oxide semiconductor layer is less than 1 × 10 17 / cm 3, less than 1 × 10 15 / cm 3 , or less than 1 × 10 13 / cm 3 , Particularly preferably less than 8 × 10 11 / cm 3 , more preferably less than 1 × 10 11 / cm 3 , still more preferably less than 1 × 10 10 / cm 3 and 1 × 10 −9 / cm 3 or more Point to By making the oxide semiconductor layer highly intrinsic, stable electric characteristics can be given to the transistor.
半導体層101bとして、例えばIn:Ga:Zn=1:1:1または3:1:2の原子数比のIn−Ga−Zn系酸化物を用いた場合、半導体層101aまたは半導体層101cとして、例えばIn:Ga:Zn=1:3:2、1:3:4、1:3:6、1:6:4、1:6:8、1:6:10、または1:9:6などの原子数比のIn−Ga−Zn系酸化物を用いることができる。なお、半導体層101b、半導体層101aおよび半導体層101cの原子数比はそれぞれ、誤差として上記の原子数比のプラスマイナス20%の変動を含む。また、半導体層101aと半導体層101cは、組成の同じ材料を用いてもよいし、異なる組成の材料を用いてもよい。 For example, in the case of using an In—Ga—Zn-based oxide having an atomic ratio of In: Ga: Zn = 1: 1: 1 or 3: 1: 2 as the semiconductor layer 101b, the semiconductor layer 101a or the semiconductor layer 101c can be obtained. For example, In: Ga: Zn = 1: 3: 2, 1: 3: 4, 1: 3: 6, 1: 6: 4, 1: 6: 8, 1: 6: 10, or 1: 9: 6 etc. An In-Ga-Zn-based oxide having an atomic ratio of can be used. Note that the atomic ratio of the semiconductor layer 101b, the semiconductor layer 101a, and the semiconductor layer 101c includes a variation of plus or minus 20% of the atomic ratio described above as an error. In addition, the semiconductor layer 101a and the semiconductor layer 101c may use materials having the same composition, or materials having different compositions may be used.
また、半導体層101bとしてIn−M−Zn系酸化物を用いた場合、半導体層101bとなる半導体膜を成膜するために用いるターゲットは、該ターゲットが含有する金属元素の原子数比をIn:M:Zn=x1:y1:z1としたときに、x1/y1の値が1/3以上6以下、好ましくは1以上6以下であり、z1/y1が1/3以上6以下、好ましくは1以上6以下の原子数比の酸化物を用いることが好ましい。なお、z1/y1を6以下とすることで、後述するCAAC−OS膜が形成されやすくなる。ターゲットの金属元素の原子数比の代表例としては、In:M:Zn=1:1:1、3:1:2などがある。 In the case where an In-M-Zn-based oxide is used as the semiconductor layer 101b, a target used for forming a semiconductor film to be the semiconductor layer 101b has an atomic ratio of metal elements contained in the target of In: When M: Zn = x 1 : y 1 : z 1 , the value of x 1 / y 1 is 1/3 or more and 6 or less, preferably 1 or more and 6 or less, and z 1 / y 1 is 1/3 It is preferable to use an oxide having an atomic ratio of 6 or more, preferably 1 or more and 6 or less. Note that setting z 1 / y 1 to 6 or less facilitates formation of a CAAC-OS film described later. As a representative example of the atomic ratio of metal elements of the target, there are In: M: Zn = 1: 1: 1, 3: 1: 2, and the like.
また、半導体層101a、半導体層101cとしてIn−M−Zn系酸化物を用いた場合、半導体層101a、半導体層101cとなる半導体膜を成膜するために用いるターゲットは、該ターゲットが含有する金属元素の原子数比をIn:M:Zn=x2:y2:z2としたときに、x2/y2<x1/y1であり、z2/y2の値が1/3以上6以下、好ましくは1以上6以下の原子数比の酸化物を用いることが好ましい。なお、z2/y2を6以下とすることで、後述するCAAC−OS膜が形成されやすくなる。ターゲットの金属元素の原子数比の代表例としては、In:M:Zn=1:3:4、1:3:6、1:3:8などがある。 In the case where an In-M-Zn-based oxide is used for the semiconductor layer 101a and the semiconductor layer 101c, a target used for forming a semiconductor film to be the semiconductor layer 101a and the semiconductor layer 101c is a metal contained in the target. When the atomic ratio of the elements is In: M: Zn = x 2 : y 2 : z 2 , x 2 / y 2 <x 1 / y 1 and the value of z 2 / y 2 is 1/3 It is preferable to use an oxide having an atomic ratio of 6 or more, preferably 1 or more and 6 or less. Note that setting z 2 / y 2 to 6 or less facilitates formation of a CAAC-OS film described later. In: M: Zn = 1: 3: 4, 1: 3: 6, 1: 3: 8 etc. are representative examples of the atomic ratio of the metal element of the target.
酸化物半導体をスパッタリング法で成膜する場合、ターゲットの原子数比からずれた原子数比の膜が形成される場合がある。特に、亜鉛は、ターゲットの原子数比よりも膜の原子数比が小さくなる場合がある。具体的には、ターゲットに含まれる亜鉛の原子数比の40atomic%以上90atomic%程度以下となる場合がある。 In the case where an oxide semiconductor is formed by sputtering, a film with an atomic ratio different from that of the target may be formed. In particular, zinc may make the atomic ratio of the film smaller than the atomic ratio of the target. Specifically, it may be about 40 atomic% or more and about 90 atomic% or less of the atomic ratio of zinc contained in the target.
導電層104a及び導電層104bは、一方がソース電極として機能し、他方がドレイン電極として機能する。 One of the conductive layer 104 a and the conductive layer 104 b functions as a source electrode, and the other functions as a drain electrode.
プラグ121は、導電層104a、半導体層101a、半導体層101b、半導体層101c、絶縁膜114およびバリア膜111に設けられた開口を介して導電層151と電気的に接続する。また、導電層104aは、プラグ121を介して導電層151と電気的に接続する。 The plug 121 is electrically connected to the conductive layer 151 through an opening provided in the conductive layer 104 a, the semiconductor layer 101 a, the semiconductor layer 101 b, the semiconductor layer 101 c, the insulating film 114, and the barrier film 111. The conductive layer 104 a is electrically connected to the conductive layer 151 via the plug 121.
導電層104a及び導電層104bは、アルミニウム、チタン、クロム、ニッケル、銅、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、銀、タンタル、またはタングステンなどの金属、またはこれを主成分とする合金を単層構造または積層構造として用いる。例えば、シリコンを含むアルミニウム膜の単層構造、チタン膜上にアルミニウム膜を積層する二層構造、タングステン膜上にアルミニウム膜を積層する二層構造、銅−マグネシウム−アルミニウム合金膜上に銅膜を積層する二層構造、チタン膜上に銅膜を積層する二層構造、タングステン膜上に銅膜を積層する二層構造、チタン膜または窒化チタン膜と、そのチタン膜または窒化チタン膜上に重ねてアルミニウム膜または銅膜を積層し、さらにその上にチタン膜または窒化チタン膜を形成する三層構造、モリブデン膜または窒化モリブデン膜と、そのモリブデン膜または窒化モリブデン膜上に重ねてアルミニウム膜または銅膜を積層し、さらにその上にモリブデン膜または窒化モリブデン膜を形成する三層構造等がある。なお、酸化インジウム、酸化錫または酸化亜鉛を含む透明導電材料を用いてもよい。 The conductive layer 104 a and the conductive layer 104 b each have a single-layer structure or a stacked structure of a metal such as aluminum, titanium, chromium, nickel, copper, yttrium, zirconium, molybdenum, silver, tantalum, or tungsten, or an alloy containing such a metal as a main component. Used as For example, a single-layer structure of an aluminum film containing silicon, a two-layer structure in which an aluminum film is stacked on a titanium film, a two-layer structure in which an aluminum film is stacked on a tungsten film, a copper film on a copper-magnesium-aluminum alloy film Two-layer structure to be stacked, two-layer structure in which a copper film is stacked on a titanium film, two-layer structure in which a copper film is stacked on a tungsten film, a titanium film or titanium nitride film, and the titanium film or titanium nitride film A three-layer structure in which an aluminum film or a copper film is laminated and a titanium film or a titanium nitride film is further formed thereon, a molybdenum film or a molybdenum nitride film, and an aluminum film or copper stacked on the molybdenum film or the molybdenum nitride film There is a three-layer structure or the like in which a film is stacked and a molybdenum film or a molybdenum nitride film is formed thereon. Note that a transparent conductive material containing indium oxide, tin oxide or zinc oxide may be used.
ゲート絶縁膜102は、例えば酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ガリウムまたはGa−Zn系金属酸化物、窒化シリコンなどを用いればよく、積層または単層で設ける。 The gate insulating film 102 may be, for example, silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, aluminum oxide, hafnium oxide, gallium oxide, Ga—Zn-based metal oxide, silicon nitride, or the like, and is provided as a stacked layer or a single layer.
また、ゲート絶縁膜102として、ハフニウムシリケート(HfSiOx)、窒素が添加されたハフニウムシリケート(HfSixOyNz)、窒素が添加されたハフニウムアルミネート(HfAlxOyNz)、酸化イットリウムなどのhigh−k材料を用いてもよい。 In addition, as the gate insulating film 102, hafnium silicate (HfSiO x ), hafnium silicate to which nitrogen is added (HfSi x O y N z ), hafnium aluminate to which nitrogen is added (HfAl x O y N z ), yttrium oxide And the like may be used.
また、ゲート絶縁膜102として、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムおよび酸化タンタルなどの酸化物絶縁膜、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウムなどの窒化物絶縁膜、または上記材料を混合した膜を用いて形成することができる。 In addition, as the gate insulating film 102, an oxide insulating film of aluminum oxide, magnesium oxide, silicon oxide, silicon oxynitride, gallium oxide, germanium oxide, yttrium oxide, yttrium oxide, zirconium oxide, lanthanum oxide, neodymium oxide, hafnium oxide, tantalum oxide, or the like The insulating film can be formed using a nitride insulating film such as silicon nitride, silicon nitride oxide, aluminum nitride, or aluminum nitride oxide, or a film obtained by mixing the above materials.
また、ゲート絶縁膜102として、絶縁膜114と同様に、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物絶縁膜を用いることが好ましい。 Further, as the gate insulating film 102, as in the case of the insulating film 114, an oxide insulating film which contains oxygen at a higher proportion than the stoichiometric composition is preferably used.
なお、特定の材料をゲート絶縁膜に用いると、特定の条件でゲート絶縁膜に電子を捕獲せしめて、しきい値電圧を増大させることもできる。例えば、酸化シリコンと酸化ハフニウムの積層膜のように、ゲート絶縁膜の一部に酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、酸化タンタルのような電子捕獲準位の多い材料を用い、より高い温度(半導体装置の使用温度あるいは保管温度よりも高い温度、あるいは、125℃以上450℃以下、代表的には150℃以上300℃以下)の下で、ゲート電極の電位をソース電極やドレイン電極の電位より高い状態を、1秒以上、代表的には1分以上維持することで、半導体層からゲート電極に向かって、電子が移動し、そのうちのいくらかは電子捕獲準位に捕獲される。 Note that when a specific material is used for the gate insulating film, electrons can be captured by the gate insulating film under specific conditions to increase the threshold voltage. For example, as in a laminated film of silicon oxide and hafnium oxide, a material having many electron capture states such as hafnium oxide, aluminum oxide, or tantalum oxide is used for part of the gate insulating film, and a higher temperature (use of semiconductor device The potential of the gate electrode is higher than the potential of the source electrode or the drain electrode at a temperature higher than the temperature or the storage temperature, or 125 ° C. to 450 ° C., typically 150 ° C. to 300 ° C.); By maintaining for 1 second or more, typically 1 minute or more, electrons move from the semiconductor layer to the gate electrode, and some of them are trapped in the electron capture level.
このように電子捕獲準位に必要な量の電子を捕獲させたトランジスタは、しきい値電圧がプラス側にシフトする。ゲート電極の電圧の制御によって電子の捕獲する量を制御することができ、それに伴ってしきい値電圧を制御することができる。また、電子を捕獲せしめる処理は、トランジスタの作製過程におこなえばよい。 As described above, in the transistor in which the amount of electrons necessary for the electron trap level is captured, the threshold voltage is shifted to the positive side. By controlling the voltage of the gate electrode, it is possible to control the amount of captured electrons and, accordingly, the threshold voltage can be controlled. In addition, a process for capturing electrons may be performed in the process of manufacturing a transistor.
例えば、トランジスタのソース電極あるいはドレイン電極に接続する配線メタルの形成後、あるいは、前工程(ウェハー処理)の終了後、あるいは、ウェハーダイシング工程後、パッケージ後等、工場出荷前のいずれかの段階で行うとよい。いずれの場合にも、その後に125℃以上の温度に1時間以上さらされないことが好ましい。 For example, after formation of a wiring metal connected to a source electrode or drain electrode of a transistor, or after completion of a previous process (wafer processing), or after a wafer dicing process, after packaging, or before factory shipment. Good to do. In any case, it is preferable not to be exposed to the temperature of 125 ° C. or more for one hour or more after that.
ゲート電極103は、例えばアルミニウム、クロム、銅、タンタル、チタン、モリブデン、タングステンから選ばれた金属、または上述した金属を成分とする合金か、上述した金属を組み合わせた合金等を用いて形成することができる。また、マンガン、ジルコニウムのいずれか一または複数から選択された金属を用いてもよい。また、リン等の不純物元素をドーピングした多結晶シリコンに代表される半導体、ニッケルシリサイド等のシリサイドを用いてもよい。また、ゲート電極103は、単層構造でも、二層以上の積層構造としてもよい。例えば、シリコンを含むアルミニウム膜の単層構造、アルミニウム膜上にチタン膜を積層する二層構造、窒化チタン膜上にチタン膜を積層する二層構造、窒化チタン膜上にタングステン膜を積層する二層構造、窒化タンタル膜または窒化タングステン膜上にタングステン膜を積層する二層構造、チタン膜と、そのチタン膜上にアルミニウム膜を積層し、さらにその上にチタン膜を形成する三層構造等がある。また、アルミニウムに、チタン、タンタル、タングステン、モリブデン、クロム、ネオジム、スカンジウムから選ばれた一または複数の金属を組み合わせた合金膜、もしくは窒化膜を用いてもよい。 The gate electrode 103 is formed using, for example, a metal selected from aluminum, chromium, copper, tantalum, titanium, molybdenum, tungsten, an alloy containing the above-described metal, or an alloy combining the above-described metals. Can. In addition, a metal selected from one or more of manganese and zirconium may be used. Alternatively, a semiconductor typified by polycrystalline silicon doped with an impurity element such as phosphorus or a silicide such as nickel silicide may be used. The gate electrode 103 may have a single-layer structure or a stacked structure of two or more layers. For example, a single-layer structure of an aluminum film containing silicon, a two-layer structure in which a titanium film is stacked on an aluminum film, a two-layer structure in which a titanium film is stacked on a titanium nitride film, and a two-layer structure in which a tungsten film is stacked on a titanium nitride film Layer structure, a two-layer structure in which a tungsten film is stacked on a tantalum nitride film or a tungsten nitride film, a three-layer structure in which an aluminum film is stacked on a titanium film and a titanium film, and a titanium film is formed thereon is there. Alternatively, an alloy film or nitride film in which one or more metals selected from titanium, tantalum, tungsten, molybdenum, chromium, neodymium, and scandium are combined with aluminum may be used.
また、ゲート電極103は、インジウム錫酸化物、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、酸化シリコンを添加したインジウム錫酸化物等の透光性を有する導電性材料を適用することもできる。また、上記透光性を有する導電性材料と、上記金属の積層構造とすることもできる。 In addition, the gate electrode 103 includes indium tin oxide, indium oxide containing tungsten oxide, indium zinc oxide containing tungsten oxide, indium oxide containing titanium oxide, indium tin oxide containing titanium oxide, indium zinc oxide Alternatively, a light-transmitting conductive material such as indium tin oxide to which silicon oxide is added can be used. Alternatively, the light-transmitting conductive material can have a stacked structure of the above-described metal.
また、ゲート電極103とゲート絶縁膜102の間に、In−Ga−Zn系酸窒化物半導体膜、In−Sn系酸窒化物半導体膜、In−Ga系酸窒化物半導体膜、In−Zn系酸窒化物半導体膜、Sn系酸窒化物半導体膜、In系酸窒化物半導体膜、金属窒化膜(InN、ZnN等)等を設けてもよい。これらの膜は5eV以上、好ましくは5.5eV以上の仕事関数を有し、酸化物半導体の電子親和力よりも大きい値であるため、酸化物半導体を用いたトランジスタのしきい値電圧をプラスにシフトすることができ、所謂ノーマリーオフ特性のスイッチング素子を実現できる。例えば、In−Ga−Zn系酸窒化物半導体膜を用いる場合、少なくとも半導体層101より高い窒素濃度、具体的には7原子%以上のIn−Ga−Zn系酸窒化物半導体膜を用いる。 In addition, an In—Ga—Zn-based oxynitride semiconductor film, an In—Sn-based oxynitride semiconductor film, an In—Ga-based oxynitride semiconductor film, and an In—Zn-based film are formed between the gate electrode 103 and the gate insulating film 102. An oxynitride semiconductor film, a Sn-based oxynitride semiconductor film, an In-based oxynitride semiconductor film, a metal nitride film (InN, ZnN or the like), or the like may be provided. These films have a work function of 5 eV or more, preferably 5.5 eV or more, which is larger than the electron affinity of the oxide semiconductor, and thus shift the threshold voltage of the transistor including the oxide semiconductor to a positive value. Thus, a switching element having a so-called normally-off characteristic can be realized. For example, in the case of using an In-Ga-Zn-based oxynitride semiconductor film, an In-Ga-Zn-based oxynitride semiconductor film which has a nitrogen concentration higher than that of the semiconductor layer 101, specifically, 7 atomic% or more is used.
絶縁膜112は、バリア膜111と同様、水や水素が拡散しにくい材料を用いることが好ましい。また、特に、絶縁膜112として酸素を透過しにくい材料を用いることが好ましい。 Like the barrier film 111, the insulating film 112 is preferably made of a material to which water or hydrogen does not easily diffuse. In particular, a material which hardly transmits oxygen is preferably used as the insulating film 112.
酸素を透過しにくい材料を含む絶縁膜112で半導体層101を覆うことで、半導体層101から絶縁膜112よりも上方に酸素が放出されることを抑制することができる。さらに、絶縁膜114から脱離した酸素を絶縁膜112よりも下側に閉じ込めることができるため、半導体層101に供給しうる酸素の量を増大させることができる。 By covering the semiconductor layer 101 with the insulating film 112 containing a material which does not easily transmit oxygen, release of oxygen from the semiconductor layer 101 above the insulating film 112 can be suppressed. Further, oxygen released from the insulating film 114 can be confined below the insulating film 112, whereby the amount of oxygen which can be supplied to the semiconductor layer 101 can be increased.
また、水や水素を透過しにくい絶縁膜112により、外部から酸化物半導体にとっての不純物である水や水素が混入することを抑制でき、トランジスタ100の電気特性の変動が抑制され、信頼性の高いトランジスタを実現できる。 In addition, the insulating film 112 which hardly transmits water and hydrogen can suppress entry of water and hydrogen which are impurities for the oxide semiconductor from the outside, which can suppress variation in electric characteristics of the transistor 100 and has high reliability. A transistor can be realized.
なお、絶縁膜112よりも下側に、絶縁膜114と同様の、加熱により酸素が脱離する絶縁膜を設け、ゲート絶縁膜102を介して半導体層101の上側からも酸素を供給する構成としてもよい。 Note that an insulating film similar to the insulating film 114 from which oxygen is released by heating is provided below the insulating film 112, and oxygen is also supplied from the upper side of the semiconductor layer 101 through the gate insulating film 102. It is also good.
また、図6(B)に示すように、トランジスタのチャネル幅方向の断面において、ゲート電極103が半導体層101bの上面及び側面に面して設けられることで、半導体層101bの上面近傍だけでなく側面近傍にまでチャネルが形成され、実効的なチャネル幅が増大し、オン状態における電流(オン電流)を高めることができる。特に、半導体層101bの幅が極めて小さい(例えば50nm以下、好ましくは30nm以下、より好ましくは20nm以下)場合には、半導体層101bの内部にまでチャネルが形成される領域が広がるため、微細化するほどオン電流に対する寄与が高まる。 Further, as shown in FIG. 6B, the gate electrode 103 is provided so as to face the upper surface and the side surface of the semiconductor layer 101b in the cross section in the channel width direction of the transistor. A channel is formed near the side surface, the effective channel width can be increased, and the current in the on state (on current) can be increased. In particular, in the case where the width of the semiconductor layer 101b is extremely small (for example, 50 nm or less, preferably 30 nm or less, more preferably 20 nm or less), the region in which the channel is formed expands to the inside of the semiconductor layer 101b, so miniaturization is achieved. The contribution to the on current increases.
図17(A)、(B)には、半導体装置が有するトランジスタ100の一例を示す。図17(A)、(B)に示すトランジスタ100は、図6で例示したトランジスタ100と比較して、半導体層101cが導電層104a及び導電層104bの下面に接して設けられている点で主に相違している。ここで図17(B)は、図17(A)に示す一点鎖線A−Bにおける断面である。 17A and 17B illustrate an example of the transistor 100 included in the semiconductor device. The transistor 100 illustrated in FIGS. 17A and 17B is mainly different from the transistor 100 illustrated in FIG. 6 in that the semiconductor layer 101c is provided in contact with the lower surfaces of the conductive layer 104a and the conductive layer 104b. It is different. Here, FIG. 17B is a cross section along dashed-dotted line A-B in FIG. 17A.
このような構成とすることで、半導体層101a、半導体層101b及び半導体層101cを構成するそれぞれの膜の成膜時において、大気に触れさせることなく連続的に成膜することができるため、各々の界面欠陥を低減することができる。 With such a structure, films can be formed continuously without being exposed to the air at the time of film formation of the respective films forming the semiconductor layer 101a, the semiconductor layer 101b, and the semiconductor layer 101c. Interface defects can be reduced.
また、トランジスタ100は図35(A)に示す構成としてもよい。図35(A)では、半導体層101aおよび半導体層101bを形成した後、半導体層101cを形成し、半導体層101aおよび半導体層101bの側面を半導体層101cが覆っている。また、トランジスタ100は図35(B)に示す構成としてもよい。図35(B)が図35(A)と異なる点は、図35(A)ではゲート電極103と導電層104a、およびゲート電極103と導電層104bが、重なる構造なのに対し、図35(B)ではゲート電極103と導電層104a、および導電層104bは図35(B)に示す断面においては重ならない。 Further, the transistor 100 may have a structure shown in FIG. In FIG. 35A, after the semiconductor layers 101a and 101b are formed, the semiconductor layer 101c is formed, and the side surfaces of the semiconductor layers 101a and 101b are covered with the semiconductor layer 101c. In addition, the transistor 100 may have a structure illustrated in FIG. 35B is different from FIG. 35A in that the gate electrode 103 and the conductive layer 104a, and the gate electrode 103 and the conductive layer 104b overlap in FIG. 35A. Then, the gate electrode 103 and the conductive layer 104a and the conductive layer 104b do not overlap in the cross section shown in FIG.
また、図6(A)、(B)や図17(A)、(B)では、半導体層101bに接して半導体層101a及び半導体層101cを設ける構成を説明したが、半導体層101aまたは半導体層101cの一方、またはその両方を設けない構成としてもよい。 In FIGS. 6A, 6B, 17A, and 17B, the structure in which the semiconductor layer 101a and the semiconductor layer 101c are provided in contact with the semiconductor layer 101b is described. However, the semiconductor layer 101a or the semiconductor layer is described. Alternatively, one or both of 101c may not be provided.
なお、図6(B)に示す構成は、ゲート絶縁膜102と半導体層101cの端部が概略一致するように加工され、ゲート電極103はゲート絶縁膜よりも内側に位置するように加工される例を示すが、図17(C)に示すトランジスタ100の例のように、ゲート絶縁膜102、半導体層101cおよびゲート電極103の端部が概略一致するように加工されてもよい。あるいは、図17(D)に示すトランジスタ100の例のように、ゲート絶縁膜102、半導体層101cおよびゲート電極の端部がそれぞれ一致しないように加工されてもよい。 The structure shown in FIG. 6B is processed so that the end portions of the gate insulating film 102 and the semiconductor layer 101c are substantially aligned, and the gate electrode 103 is processed so as to be positioned inside the gate insulating film. Although an example is shown, as in the example of the transistor 100 illustrated in FIG. 17C, the end portions of the gate insulating film 102, the semiconductor layer 101c, and the gate electrode 103 may be roughly aligned. Alternatively, as in the example of the transistor 100 illustrated in FIG. 17D, the end portions of the gate insulating film 102, the semiconductor layer 101c, and the gate electrode may be processed so as not to coincide with each other.
以上がトランジスタ100についての説明である。 The above is the description of the transistor 100.
トランジスタ100を覆う絶縁膜116は、その下層の凹凸形状を被覆する平坦化層として機能する。また絶縁膜113は、絶縁膜116を成膜する際の保護膜としての機能を有していてもよい。絶縁膜113は不要であれば設けなくてもよい。 The insulating film 116 which covers the transistor 100 functions as a planarization layer which covers the underlying uneven shape. In addition, the insulating film 113 may have a function as a protective film in forming the insulating film 116. The insulating film 113 may not be provided if unnecessary.
絶縁膜112、絶縁膜113及び絶縁膜116には、導電層104bと電気的に接続するプラグ123、プラグ122等が埋め込まれている。 In the insulating film 112, the insulating film 113, and the insulating film 116, a plug 123, a plug 122, and the like which are electrically connected to the conductive layer 104b are embedded.
絶縁膜116の上部には、プラグ123と電気的に接続する配線124等が設けられている。 Over the insulating film 116, a wiring 124 electrically connected to the plug 123 and the like are provided.
ここで、図6(A)に示す配線124が図5に示す配線BLに相当する。同様に、図6(B)に示す配線166が配線BGに相当し、図7に示す配線142が配線CLに相当する。また図示しないが、図6のゲート電極103に接続する配線が配線WLに相当する。また、トランジスタ130の低抵抗層133bが、配線SLに相当する。またトランジスタ130のゲート電極135、容量素子150の第1の電極として機能するプラグ121、及びトランジスタ100の導電層104aを含むノードが、図5(A)に示すノードFNに相当する。 Here, the wiring 124 illustrated in FIG. 6A corresponds to the wiring BL illustrated in FIG. Similarly, the wiring 166 illustrated in FIG. 6B corresponds to the wiring BG, and the wiring 142 illustrated in FIG. 7 corresponds to the wiring CL. Although not shown, a wire connected to the gate electrode 103 in FIG. 6 corresponds to the wire WL. The low resistance layer 133 b of the transistor 130 corresponds to the wiring SL. A node including the gate electrode 135 of the transistor 130, the plug 121 functioning as the first electrode of the capacitor 150, and the conductive layer 104a of the transistor 100 corresponds to the node FN illustrated in FIG. 5A.
また図6において、水素を含む絶縁膜136上に設けられる絶縁膜137として、バリア膜111と同様の材料を含む絶縁膜137を設ける構成とすることが好ましい。このような構成とすることで、水素を含む絶縁膜136中に残存した水や水素が上方に拡散することを効果的に抑制することができる。この場合、絶縁膜137を形成する前と、絶縁膜137を形成した後であってバリア膜111を形成するよりも前に、水や水素を除去するための加熱処理を合計2回以上行ってもよい。 Further, in FIG. 6, as the insulating film 137 provided over the insulating film 136 containing hydrogen, the insulating film 137 containing a material similar to the barrier film 111 is preferably provided. With such a configuration, diffusion of water and hydrogen remaining in the insulating film 136 containing hydrogen can be effectively suppressed. In this case, heat treatment for removing water and hydrogen is performed twice or more in total before forming the insulating film 137 and after forming the insulating film 137 and before forming the barrier film 111. It is also good.
配線124、配線142、配線166等の配線は、材料として金属材料、合金材料、または金属酸化物材料などの導電性材料を用いることができる。特に、耐熱性と導電性を両立するタングステンやモリブデンなどの高融点材料を用いることが好ましく、特にタングステンを用いることが好ましい。 For the wirings such as the wiring 124, the wiring 142, and the wiring 166, a conductive material such as a metal material, an alloy material, or a metal oxide material can be used as a material. In particular, it is preferable to use a high melting point material such as tungsten or molybdenum which achieves both heat resistance and conductivity, and it is particularly preferable to use tungsten.
また、導電層125、導電層151、導電層152、導電層153a、導電層153b、導電層154a乃至導電層154e等の導電層や、プラグ121乃至プラグ123、プラグ126乃至プラグ128、プラグ129a乃至プラグ129d、プラグ139乃至プラグ141、プラグ164、プラグ165等のプラグには、材料として金属材料、合金材料、または金属酸化物材料などの導電性材料を用いることができる。特に、耐熱性と導電性を両立するタングステンやモリブデンなどの高融点材料を用いることが好ましく、特にタングステンを用いることが好ましい。また、窒化チタンやチタンなどの材料を、他の材料と積層して用いてもよい。例えば、窒化チタンやチタンを用いることにより、開口部への密着性を向上させることができる。また導電層125、導電層151、導電層152、導電層153a、導電層153b、導電層154a乃至導電層154e等の導電層や、プラグ121乃至123、プラグ126乃至プラグ128、プラグ129a乃至プラグ129d、プラグ139乃至プラグ141、プラグ164、プラグ165等のプラグ等は、絶縁膜に埋め込まれるように設けられ、各々の上面は平坦化されていることが好ましい。 A conductive layer such as the conductive layer 125, the conductive layer 151, the conductive layer 152, the conductive layer 153a, the conductive layer 153b, the conductive layers 154a to 154e, the plug 121 to the plug 123, the plug 126 to the plug 128, the plug 129a to For plugs such as the plug 129 d, the plug 139 to the plug 141, the plug 164, and the plug 165, a conductive material such as a metal material, an alloy material, or a metal oxide material can be used as a material. In particular, it is preferable to use a high melting point material such as tungsten or molybdenum which achieves both heat resistance and conductivity, and it is particularly preferable to use tungsten. In addition, materials such as titanium nitride and titanium may be stacked with other materials. For example, by using titanium nitride or titanium, adhesion to the opening can be improved. In addition, conductive layers such as the conductive layer 125, the conductive layer 151, the conductive layer 152, the conductive layer 153a, the conductive layer 153b, and the conductive layers 154a to 154e, the plugs 121 to 123, the plugs 126 to 128, and the plugs 129a to 129d. The plugs 139 to 141, the plug 164, the plug 165, and the like are provided so as to be embedded in the insulating film, and the upper surface of each is preferably planarized.
ここで、プラグ121は、トランジスタ100の半導体層101、導電層104aおよび導電層151に接する。まず、トランジスタ100の半導体層101および導電層104aと接することにより、トランジスタ100のソース領域またはドレイン領域に繋がる配線として機能する。また、導電層151と接することにより、容量素子150の一方の電極と繋がる配線として機能する。プラグ121が、トランジスタ100を貫通し、容量素子150の一方の電極である導電層151まで到達することにより、一つのプラグで、容量素子150の電極と、トランジスタ100のソース領域またはドレイン領域と繋がる配線を兼ねることができる。 Here, the plug 121 is in contact with the semiconductor layer 101, the conductive layer 104 a, and the conductive layer 151 of the transistor 100. First, by being in contact with the semiconductor layer 101 and the conductive layer 104 a of the transistor 100, the wiring functions as a wiring connected to the source region or the drain region of the transistor 100. In addition, by being in contact with the conductive layer 151, the wiring functions as a wiring connected to one electrode of the capacitor 150. The plug 121 penetrates the transistor 100 and reaches the conductive layer 151 which is one electrode of the capacitor 150, whereby one electrode connects the electrode of the capacitor 150 and the source or drain region of the transistor 100 It can double as wiring.
同様に、プラグ122は、トランジスタ100の半導体層101、導電層104bおよび導電層125に接する。まず、トランジスタ100の半導体層101および導電層104bと接することにより、トランジスタ100のソース領域またはドレイン領域に繋がる配線として機能する。また、導電層125と接することにより、トランジスタ130のソース領域またはドレイン領域と接続する配線として機能する。プラグ122が、トランジスタ100を貫通し、導電層125まで到達することにより、一つのプラグで、トランジスタ130のソース領域またはドレイン領域と繋がる配線と、トランジスタ100のソース電極またはドレイン電極と繋がる配線を兼ねることができる。 Similarly, the plug 122 is in contact with the semiconductor layer 101, the conductive layer 104 b, and the conductive layer 125 of the transistor 100. First, by being in contact with the semiconductor layer 101 and the conductive layer 104 b of the transistor 100, the wiring functions as a wiring connected to the source region or the drain region of the transistor 100. Further, by being in contact with the conductive layer 125, the wiring functions as a wiring connected to the source region or the drain region of the transistor 130. The plug 122 penetrates the transistor 100 and reaches the conductive layer 125 so that one plug serves as a wiring connected to the source or drain region of the transistor 130 and a wiring connected to the source or drain electrode of the transistor 100. be able to.
次に、プラグ121およびプラグ122を用いて回路面積を縮小できる例を、図30を用いて説明する。また、図31に示す構成は、プラグ121およびプラグ122を用いない例を示す。バリア膜211aについては、バリア膜111の記載を参照する。また絶縁膜215aについては、絶縁膜115aの記載を参照する。導電層104aと容量素子150とのコンタクト221は、半導体層101bよりも外側に形成されており、素子面積の増大の要因となる。また、同様に導電層104bと、トランジスタ130のソース領域またはドレイン領域に接続する導電層とのコンタクト222は、半導体層101bよりも外側に形成されており、素子面積の増大の要因となる。 Next, an example in which the circuit area can be reduced by using the plug 121 and the plug 122 will be described with reference to FIG. Further, the configuration shown in FIG. 31 shows an example in which the plug 121 and the plug 122 are not used. For the barrier film 211a, the description of the barrier film 111 is referred to. For the insulating film 215a, the description of the insulating film 115a is referred to. The contact 221 between the conductive layer 104a and the capacitor 150 is formed outside the semiconductor layer 101b, which causes an increase in the element area. Similarly, the contact 222 between the conductive layer 104 b and the conductive layer connected to the source region or the drain region of the transistor 130 is formed outside the semiconductor layer 101 b, which causes an increase in the element area.
図30(A)に示す構成例では、トランジスタ100を貫通して容量素子150の一方の電極に接続するプラグ121と、トランジスタ100を貫通してトランジスタ130のソース電極またはドレイン領域に電気的に接続する導電層251aと接続するプラグ122を用いる例を示す。バリア膜211a乃至バリア膜211fは、バリア膜111の記載を参照する。また、絶縁膜215a乃至絶縁膜215fは、絶縁膜115aの記載を参照する。導電層251は、導電層151の記載を参照する。導電層251aは、導電層125の記載を参照する。なお、図30(B)は、図30(A)に示す構成を2つ並べた図である。なお、図30においては導電層104aおよび導電層104bを設けない例を示すが、設けてもよい。 In the configuration example shown in FIG. 30A, a plug 121 which penetrates the transistor 100 and is connected to one electrode of the capacitor 150 and electrically connected to a source electrode or a drain region of the transistor 130 which penetrates the transistor 100 An example in which the plug 122 connected to the conductive layer 251a is used is shown. For the barrier films 211 a to 211 f, the description of the barrier film 111 is referred to. For the insulating films 215a to 215f, the description of the insulating film 115a is referred to. For the conductive layer 251, the description of the conductive layer 151 is referred to. For the conductive layer 251 a, the description of the conductive layer 125 is referred to. 30B is a diagram in which two configurations shown in FIG. 30A are arranged. Although FIG. 30 shows an example in which the conductive layer 104 a and the conductive layer 104 b are not provided, they may be provided.
図31においては、導電層104aと容量素子150とのコンタクト221と、プラグ321と導電層104aのコンタクト223との、2つのコンタクトが設けられているのに対し、図30では、その2つのコンタクトの役割をプラグ121で担うことができる。同様に、図31においては、導電層104bと導電層251aとのコンタクト222と、プラグ322と導電層104bとのコンタクト224との、2つのコンタクトが設けられているのに対し、図30では、その2つのコンタクトの役割をプラグ122で担うことができる。このように、プラグ121とプラグ122を用いることにより、図30に示す構成において容量素子150をトランジスタ100と同程度の幅で作製することができ、素子の占有面積を縮小することができる。 While two contacts of the contact 221 of the conductive layer 104a and the capacitor 150 and the contact 223 of the plug 321 and the conductive layer 104a are provided in FIG. 31, the two contacts are shown in FIG. The role of the plug 121 can be played. Similarly, in FIG. 31, two contacts of the contact 222 of the conductive layer 104b and the conductive layer 251a and the contact 224 of the plug 322 and the conductive layer 104b are provided, while in FIG. The role of the two contacts can be played by the plug 122. As described above, by using the plug 121 and the plug 122, the capacitor 150 can be manufactured to have a width similar to that of the transistor 100 in the structure illustrated in FIG. 30, and the area occupied by the element can be reduced.
次に、図30に示す断面図において、層281乃至層287の上面図を図32(A)に示す。また、図31に示す断面図において、層291乃至層295の上面図を図32(B)に示す。各上面図は、メモリセルの最小構成単位を示すものである。図30の構造を用いることにより、図31と比較して、約半分の面積まで縮小できることがわかる。 Next, in the cross-sectional view in FIG. 30, top views of the layers 281 to 287 are illustrated in FIG. In addition, in the cross-sectional view in FIG. 31, top views of the layers 291 to 295 are illustrated in FIG. Each top view shows the minimum structural unit of the memory cell. By using the structure of FIG. 30, it can be seen that the area can be reduced to about half compared to FIG.
また、図33に示す半導体装置の断面のように、平坦化のための絶縁膜261を設けてからプラグ121およびプラグ122を形成してもよい。 Alternatively, as in the cross section of the semiconductor device illustrated in FIG. 33, the plug 121 and the plug 122 may be formed after the insulating film 261 for planarization is provided.
本発明の一態様の半導体装置は、トランジスタ130と、第1のトランジスタ130の上方に位置するトランジスタ100とを有するため、これらを積層して設けることにより素子の占有面積を縮小することができる。また、プラグ121や、プラグ122を設けることにより素子の占有面積を縮小することができる。よって、回路面積が小さく、かつ、良好な特性を有する半導体装置を提供することができる。また、本発明の一態様を例えばメモリ等を有する半導体装置に用いた場合、小さな回路面積でもメモリ容量を高め、かつ保持特性の良好なメモリを有する半導体装置を提供することができる。さらに、トランジスタ130とトランジスタ100との間に設けられたバリア膜111により、これよりも下層に存在する水や水素等の不純物がトランジスタ100側に拡散することを抑制できる。さらに、当該バリア膜111を挟んで、一部が第1の電極として機能する配線と、一部が第2の電極として機能する配線が設けられ、容量素子150を形成するため、容量素子150を作製するための工程を別途追加することなく容量素子150を容易に作製することができる。 The semiconductor device of one embodiment of the present invention includes the transistor 130 and the transistor 100 located above the first transistor 130; therefore, the area occupied by the element can be reduced by stacking them. In addition, by providing the plug 121 and the plug 122, the area occupied by the element can be reduced. Thus, a semiconductor device having a small circuit area and excellent characteristics can be provided. In addition, when one embodiment of the present invention is used for a semiconductor device including, for example, a memory or the like, a memory capacity can be increased even with a small circuit area, and a semiconductor device having a memory with favorable retention characteristics can be provided. Further, the barrier film 111 provided between the transistor 130 and the transistor 100 can suppress diffusion of an impurity such as water or hydrogen in the lower layer below the transistor 100 to the transistor 100 side. Further, a wiring whose part functions as a first electrode and a wiring whose part functions as a second electrode are provided with the barrier film 111 interposed therebetween, and the capacitor 150 is formed. The capacitive element 150 can be easily manufactured without separately adding a process for manufacturing.
以上が構成例についての説明である。 The above is the description of the configuration example.
[作製方法例]
以下では、上記構成例で示した半導体装置の作製方法の一例について、図8乃至図12の断面図を用いて説明する。
[Example of production method]
Hereinafter, an example of a method for manufacturing the semiconductor device described in the above configuration example will be described with reference to the cross-sectional views of FIGS.
まず、半導体基板131を準備する。半導体基板131としては、例えば単結晶シリコン基板(p型の半導体基板、またはn型の半導体基板を含む)、炭化シリコンや窒化ガリウムからなる化合物半導体基板などを用いることができる。また、半導体基板131として、SOI基板を用いてもよい。以下では、半導体基板131として単結晶シリコンを用いた場合について説明する。 First, the semiconductor substrate 131 is prepared. As the semiconductor substrate 131, for example, a single crystal silicon substrate (including a p-type semiconductor substrate or an n-type semiconductor substrate), a compound semiconductor substrate made of silicon carbide or gallium nitride, or the like can be used. Alternatively, an SOI substrate may be used as the semiconductor substrate 131. Hereinafter, the case where single crystal silicon is used as the semiconductor substrate 131 will be described.
続いて、半導体基板131に素子分離層(図示せず)を形成する。素子分離層はLOCOS(Local Oxidation of Silicon)法またはSTI(Shallow Trench Isolation)法、メサ分離法等を用いて形成すればよい。 Subsequently, an element isolation layer (not shown) is formed on the semiconductor substrate 131. The element isolation layer may be formed using a LOCOS (Local Oxidation of Silicon) method, an STI (Shallow Trench Isolation) method, a mesa isolation method, or the like.
同一基板上にp型のトランジスタとn型のトランジスタを形成する場合、半導体基板131の一部にnウェルまたはpウェルを形成してもよい。例えば、n型の半導体基板131にp型の導電性を付与するホウ素などの不純物元素を添加してpウェルを形成し、同一基板上にn型のトランジスタとp型のトランジスタを形成してもよい。 In the case where a p-type transistor and an n-type transistor are formed over the same substrate, an n well or a p well may be formed in part of the semiconductor substrate 131. For example, even if an impurity element such as boron which imparts p-type conductivity is added to the n-type semiconductor substrate 131 to form a p-well, an n-type transistor and a p-type transistor may be formed over the same substrate. Good.
続いて、半導体基板131上にゲート絶縁膜134となる絶縁膜を形成する。例えば、半導体基板131の表面を酸化し酸化シリコン膜を形成する。または、熱酸化法により酸化シリコンを形成した後に、窒化処理を行うことによって酸化シリコン膜の表面を窒化することにより、酸化シリコン膜と、酸化窒化シリコン膜の積層構造を形成してもよい。または、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、高誘電率物質(high−k材料ともいう)であるタンタル酸化物、酸化ハフニウム、酸化ハフニウムシリケート、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、酸化チタンなどの金属酸化物、または酸化ランタンなどの希土類酸化物等を用いてもよい。 Subsequently, an insulating film to be the gate insulating film 134 is formed over the semiconductor substrate 131. For example, the surface of the semiconductor substrate 131 is oxidized to form a silicon oxide film. Alternatively, after a silicon oxide film is formed by a thermal oxidation method, the surface of the silicon oxide film may be nitrided to form a layered structure of a silicon oxide film and a silicon oxynitride film. Alternatively, silicon oxide, silicon oxynitride, tantalum oxide which is a high dielectric constant substance (also referred to as high-k material), hafnium oxide, hafnium oxide silicate, zirconium oxide, aluminum oxide, metal oxide such as titanium oxide, or oxidation A rare earth oxide such as lanthanum may be used.
当該絶縁膜は、スパッタリング法、CVD(Chemical Vapor Deposition)法(熱CVD法、MOCVD(Metal Organic CVD)法、PECVD(Plasma Enhanced CVD)法等を含む)、MBE(Molecular Beam Epitaxy)法、ALD(Atomic Layer Deposition)法、またはPLD(Pulsed Laser Deposition)法等で成膜することにより形成してもよい。 The insulating film can be formed by a sputtering method, a chemical vapor deposition (CVD) method (including a thermal CVD method, a metal organic CVD (MOCVD) method, a plasma enhanced CVD (PECVD) method), a molecular beam epitaxy (MBE) method, It may be formed by film formation by an atomic layer deposition method, a PLD (pulsed laser deposition) method, or the like.
続いて、ゲート電極135となる導電膜を成膜する。導電膜としては、タンタル、タングステン、チタン、モリブデン、クロム、ニオブ等から選択された金属、またはこれらの金属を主成分とする合金材料若しくは化合物材料を用いることが好ましい。また、リン等の不純物を添加した多結晶シリコンを用いることができる。また、金属窒化物膜と上記の金属膜の積層構造を用いてもよい。金属窒化物としては、窒化タングステン、窒化モリブデン、窒化チタンを用いることができる。金属窒化物膜を設けることにより、金属膜の密着性を向上させることができ、剥離を防止することができる。 Subsequently, a conductive film to be the gate electrode 135 is formed. As the conductive film, it is preferable to use a metal selected from tantalum, tungsten, titanium, molybdenum, chromium, niobium or the like, or an alloy material or a compound material containing these metals as a main component. Alternatively, polycrystalline silicon to which an impurity such as phosphorus is added can be used. Alternatively, a stacked structure of a metal nitride film and the above metal film may be used. As the metal nitride, tungsten nitride, molybdenum nitride, or titanium nitride can be used. By providing the metal nitride film, the adhesion of the metal film can be improved and peeling can be prevented.
導電膜は、スパッタリング法、蒸着法、CVD法(熱CVD法、MOCVD法、PECVD法等を含む)などにより成膜することができる。またプラズマによるダメージを減らすには、熱CVD法、MOCVD法あるいはALD法が好ましい。 The conductive film can be formed by a sputtering method, an evaporation method, a CVD method (including a thermal CVD method, an MOCVD method, a PECVD method, and the like), or the like. Further, in order to reduce the plasma damage, a thermal CVD method, an MOCVD method or an ALD method is preferable.
続いて、当該導電膜上にリソグラフィ法等を用いてレジストマスクを形成し、当該導電膜の不要な部分を除去する。その後、レジストマスクを除去することにより、ゲート電極135を形成することができる。 Subsequently, a resist mask is formed over the conductive film by a lithography method or the like, and unnecessary portions of the conductive film are removed. After that, the gate electrode 135 can be formed by removing the resist mask.
ここで、被加工膜の加工方法について説明する。被加工膜を微細に加工する場合には、様々な微細加工技術を用いることができる。例えば、フォトリソグラフィ法等で形成したレジストマスクに対してスリミング処理を施す方法を用いてもよい。また、フォトリソグラフィ法等でダミーパターンを形成し、当該ダミーパターンにサイドウォールを形成した後にダミーパターンを除去し、残存したサイドウォールをレジストマスクとして用いて、被加工膜をエッチングしてもよい。また被加工膜のエッチングとして、高いアスペクト比を実現するために、異方性のドライエッチングを用いることが好ましい。また、無機膜または金属膜からなるハードマスクを用いてもよい。 Here, the processing method of a to-be-processed film | membrane is demonstrated. In the case of finely processing the film to be processed, various microprocessing techniques can be used. For example, a method of performing a slimming process on a resist mask formed by a photolithography method or the like may be used. Alternatively, a dummy pattern may be formed by photolithography or the like, a sidewall may be formed on the dummy pattern, and then the dummy pattern may be removed, and the remaining film may be etched using the remaining sidewall as a resist mask. In order to realize a high aspect ratio, it is preferable to use anisotropic dry etching as etching of a film to be processed. Alternatively, a hard mask made of an inorganic film or a metal film may be used.
レジストマスクの形成に用いる光は、例えばi線(波長365nm)、g線(波長436nm)、h線(波長405nm)、またはこれらを混合させた光を用いることができる。そのほか、紫外線やKrFレーザ光、またはArFレーザ光等を用いることもできる。また、液浸露光技術により露光を行ってもよい。また、露光に用いる光として、極端紫外光(EUV:Extreme Ultra−violet)やX線を用いてもよい。また、露光に用いる光に換えて、電子ビームを用いることもできる。極端紫外光、X線または電子ビームを用いると、極めて微細な加工が可能となるため好ましい。なお、電子ビームなどのビームを走査することにより露光を行う場合には、フォトマスクは不要である。 As light used for forming a resist mask, for example, i-ray (wavelength 365 nm), g-ray (wavelength 436 nm), h-ray (wavelength 405 nm), or a mixture of these can be used. Besides, ultraviolet light, KrF laser light, ArF laser light or the like can also be used. Further, the exposure may be performed by the immersion exposure technique. Further, as light used for exposure, extreme ultraviolet (EUV: Extreme Ultra-violet) or X-rays may be used. Also, instead of light used for exposure, an electron beam can be used. The use of extreme ultraviolet light, X-rays or electron beams is preferable because extremely fine processing is possible. In the case where exposure is performed by scanning a beam such as an electron beam, a photomask is not necessary.
また、レジストマスクとなるレジスト膜を形成する前に、被加工膜とレジスト膜との密着性を改善する機能を有する有機樹脂膜を形成してもよい。当該有機樹脂膜は、例えばスピンコート法などにより、その下層の段差を被覆して表面を平坦化するように形成することができ、当該有機樹脂膜の上層に設けられるレジストマスクの厚さのばらつきを低減できる。また特に微細な加工を行う場合には、当該有機樹脂膜として、露光に用いる光に対する反射防止膜として機能する材料を用いることが好ましい。このような機能を有する有機樹脂膜としては、例えばBARC(Bottom Anti−Reflection Coating)膜などがある。当該有機樹脂膜は、レジストマスクの除去と同時に除去するか、レジストマスクを除去した後に除去すればよい。 In addition, before forming a resist film to be a resist mask, an organic resin film having a function of improving the adhesion between the film to be processed and the resist film may be formed. The organic resin film can be formed, for example, by spin coating or the like so as to cover the step in the lower layer and planarize the surface, and the thickness variation of the resist mask provided on the upper layer of the organic resin film Can be reduced. In the case of particularly fine processing, it is preferable to use, as the organic resin film, a material that functions as an antireflective film to light used for exposure. As an organic resin film which has such a function, there is a BARC (Bottom Anti-Reflection Coating) film etc., for example. The organic resin film may be removed simultaneously with the removal of the resist mask, or may be removed after removing the resist mask.
ゲート電極135の形成後、ゲート電極135の側面を覆うサイドウォールを形成してもよい。サイドウォールは、ゲート電極135の厚さよりも厚い絶縁膜を成膜した後に、異方性エッチングを施し、ゲート電極135の側面部分のみ当該絶縁膜を残存させることにより形成できる。 After the gate electrode 135 is formed, a sidewall covering the side surface of the gate electrode 135 may be formed. The sidewalls can be formed by forming an insulating film thicker than the thickness of the gate electrode 135 and then anisotropically etching the insulating film so that only the side portions of the gate electrode 135 remain.
図8(A)では、サイドウォールの形成時にゲート絶縁膜のエッチングを行わない例を示すが、サイドウォールの形成時にゲート絶縁膜134となる絶縁膜も同時にエッチングしてもよい。この場合はゲート電極135及びサイドウォールの下部にゲート絶縁膜134が形成される。 Although FIG. 8A shows an example in which etching of the gate insulating film is not performed at the time of formation of the sidewall, an insulating film to be the gate insulating film 134 may be etched at the same time of formation of the sidewall. In this case, the gate insulating film 134 is formed under the gate electrode 135 and the side wall.
続いて、半導体基板131のゲート電極135(及びサイドウォール)が設けられていない領域にリンなどのn型の導電性を付与する元素、またはホウ素などのp型の導電性を付与する元素を添加する。この段階における断面概略図が図8(A)に相当する。 Subsequently, an element imparting n-type conductivity such as phosphorus or an element imparting p-type conductivity such as boron is added to a region of the semiconductor substrate 131 where the gate electrode 135 (and the sidewall) is not provided. Do. A schematic cross-sectional view at this stage corresponds to FIG.
続いて、絶縁膜136を形成した後、上述した導電性を付与する元素の活性化のための第1の加熱処理を行う。 Subsequently, after the insulating film 136 is formed, the above-described first heat treatment for activating the element imparting conductivity is performed.
絶縁膜136は、例えば酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、窒化アルミニウムなどを用いればよく、積層または単層で設ける。絶縁膜136はスパッタリング法、CVD法(熱CVD法、MOCVD法、PECVD法等を含む)、MBE法、ALD法またはPLD法などを用いて形成することができる。特に、当該絶縁膜をCVD法、好ましくはプラズマCVD法によって成膜すると、被覆性を向上させることができるため好ましい。またプラズマによるダメージを減らすには、熱CVD法、MOCVD法あるいはALD法が好ましい。 The insulating film 136 may be, for example, silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, aluminum oxide, aluminum oxynitride, aluminum oxynitride, aluminum nitride oxide, aluminum nitride, or the like, and is provided as a stacked layer or a single layer. The insulating film 136 can be formed by a sputtering method, a CVD method (including a thermal CVD method, an MOCVD method, a PECVD method, or the like), an MBE method, an ALD method, a PLD method, or the like. In particular, it is preferable to form the insulating film by a CVD method, preferably a plasma CVD method, because coverage can be improved. Further, in order to reduce the plasma damage, a thermal CVD method, an MOCVD method or an ALD method is preferable.
第1の加熱処理は、希ガスや窒素ガスなどの不活性ガス雰囲気下、または減圧雰囲気下にて、例えば400℃以上基板の歪み点未満で行うことができる。 The first heat treatment can be performed, for example, at a temperature higher than or equal to 400 ° C. and lower than the strain point of the substrate in an inert gas atmosphere such as a rare gas or a nitrogen gas, or in a reduced pressure atmosphere.
この段階でトランジスタ130が形成される。また、トランジスタ130を形成するのと同様の方法で、トランジスタ160を形成してもよい。 At this stage, the transistor 130 is formed. Alternatively, the transistor 160 may be formed in the same manner as the transistor 130 is formed.
続いて、絶縁膜137及び絶縁膜138を形成する。 Subsequently, the insulating film 137 and the insulating film 138 are formed.
絶縁膜137は、絶縁膜136に用いることのできる材料のほか、酸素と水素を含む窒化シリコン(SiNOH)を用いると、加熱によって脱離する水素の量を大きくすることができるため好ましい。また、絶縁膜138は、絶縁膜136に用いることのできる材料のほか、TEOS(Tetra−Ethyl−Ortho−Silicate)若しくはシラン等と、酸素若しくは亜酸化窒素等とを反応させて形成した段差被覆性の良い酸化珪素を用いることが好ましい。 The insulating film 137 is preferably formed using a silicon nitride (SiNOH) containing oxygen and hydrogen in addition to a material which can be used for the insulating film 136 because the amount of hydrogen desorbed by heating can be increased. In addition, the insulating film 138 is a step coverage formed by reacting TEOS (Tetra-Ethyl-Ortho-Silicate), silane or the like with oxygen or nitrous oxide or the like in addition to the material which can be used for the insulating film 136. It is preferable to use good silicon oxide.
絶縁膜137及び絶縁膜138は、例えばスパッタリング法、CVD法(熱CVD法、MOCVD法、PECVD法等を含む)、MBE法、ALD法またはPLD法などを用いて形成することができる。特に、当該絶縁膜をCVD法、好ましくはプラズマCVD法によって成膜すると、被覆性を向上させることができるため好ましい。またプラズマによるダメージを減らすには、熱CVD法、MOCVD法あるいはALD法が好ましい。 The insulating film 137 and the insulating film 138 can be formed by, for example, a sputtering method, a CVD method (including a thermal CVD method, an MOCVD method, a PECVD method, or the like), an MBE method, an ALD method, a PLD method, or the like. In particular, it is preferable to form the insulating film by a CVD method, preferably a plasma CVD method, because coverage can be improved. Further, in order to reduce the plasma damage, a thermal CVD method, an MOCVD method or an ALD method is preferable.
続いて絶縁膜138の上面をCMP法等を用いて平坦化する。また、絶縁膜138として平坦化膜を用いてもよい。その場合は、必ずしもCMP法等で平坦化しなくともよい。平坦化膜の形成には、例えば常圧CVD法や、塗布法などを用いることができる。常圧CVD法を用いて形成できる膜としては例えば、BPSG(Boron Phosphorus Silicate Glass)等が挙げられる。また、塗布法を用いて形成できる膜としては例えば、HSQ(水素シルセスキオキサン)等が挙げられる。 Subsequently, the upper surface of the insulating film 138 is planarized using a CMP method or the like. Alternatively, a planarization film may be used as the insulating film 138. In that case, planarization may not necessarily be performed by a CMP method or the like. For the formation of the planarizing film, for example, an atmospheric pressure CVD method or a coating method can be used. Examples of the film that can be formed using the normal pressure CVD method include BPSG (Boron Phosphorus Silicate Glass). Moreover, as a film | membrane which can be formed using the apply | coating method, HSQ (hydrogen silsesquioxane) etc. are mentioned, for example.
その後、半導体層132中のダングリングボンドを絶縁膜137から脱離する水素によって終端するための第2の加熱処理を行う。また、第2の加熱処理によって各々の層に含まれる水や水素を脱離させることにより、水や水素の含有量を低減することができる。 After that, second heat treatment is performed to terminate dangling bonds in the semiconductor layer 132 with hydrogen released from the insulating film 137. In addition, the content of water or hydrogen can be reduced by removing water or hydrogen contained in each layer by the second heat treatment.
第2の加熱処理は、上記積層構造の説明で例示した条件で行うことができる。例えば第1の加熱処理で説明した条件などを用いることができる。 The second heat treatment can be performed under the conditions exemplified in the description of the above laminated structure. For example, the conditions described in the first heat treatment can be used.
続いて、絶縁膜136、絶縁膜137、及び絶縁膜138に低抵抗層133a、低抵抗層133b及びゲート電極135等に達する開口を形成する(図8(B)参照。)。その後、開口を埋めるようにプラグ139等となる導電膜181を形成する(図8(C)参照。)。その後、絶縁膜138の上面が露出するように、導電膜181に平坦化処理を施すことにより、プラグ139やプラグ140等を形成する(図8(D)参照。)。導電膜181の形成は、例えばスパッタリング法、CVD法(熱CVD法、MOCVD法、PECVD法等を含む)、MBE法、ALD法またはPLD法などを用いて形成することができる。 Subsequently, an opening reaching the low resistance layer 133a, the low resistance layer 133b, the gate electrode 135, and the like is formed in the insulating film 136, the insulating film 137, and the insulating film 138 (see FIG. 8B). After that, a conductive film 181 to be the plug 139 or the like is formed so as to fill the opening (see FIG. 8C). After that, the conductive film 181 is planarized so that the top surface of the insulating film 138 is exposed, whereby the plug 139, the plug 140, and the like are formed (see FIG. 8D). The conductive film 181 can be formed by, for example, a sputtering method, a CVD method (including a thermal CVD method, an MOCVD method, a PECVD method, or the like), an MBE method, an ALD method, a PLD method, or the like.
続いて、絶縁膜138上に絶縁膜115eを成膜し、開口部を形成する。その後、開口を埋めるように導電膜を形成し、絶縁膜115eの上面が露出するように、該導電膜に平坦化処理を施すことにより、導電層144および導電層153b等を形成する(図8(E)参照。)。図6に示す例では、導電層153bは、容量素子の電極として機能する。 Subsequently, the insulating film 115 e is formed over the insulating film 138 to form an opening. After that, a conductive film is formed to fill the opening, and the conductive film is planarized to expose the top surface of the insulating film 115e, whereby the conductive layer 144, the conductive layer 153b, and the like are formed (FIG. 8). See (E). In the example illustrated in FIG. 6, the conductive layer 153b functions as an electrode of a capacitor.
続いて、バリア膜111eを形成し、次いで絶縁膜115dを形成する(図9(A)参照。)。次いで、絶縁膜115dに開口部を形成する。その後、開口を埋めるように導電膜を形成し、絶縁膜115eの上面が露出するように、該導電膜に平坦化処理を施すことにより、導電層154dおよび導電層154e等を形成する(図9(B)参照。)。図6に示す例では、導電層154dおよび導電層154eは、容量素子の電極として機能する。その後、バリア膜111dを成膜する(図9(C)参照。)。 Subsequently, a barrier film 111e is formed, and then an insulating film 115d is formed (see FIG. 9A). Next, an opening is formed in the insulating film 115d. After that, a conductive film is formed to fill the opening, and the conductive film is planarized to expose the top surface of the insulating film 115e, whereby the conductive layer 154d, the conductive layer 154e, and the like are formed (FIG. 9). (B) see). In the example illustrated in FIG. 6, the conductive layer 154d and the conductive layer 154e function as electrodes of a capacitor. Thereafter, the barrier film 111d is formed (see FIG. 9C).
続いて、バリア膜111d、絶縁膜115dおよびバリア膜111eに開口部を形成する。その後、開口を埋めるようにプラグ127等となる導電膜を形成し、バリア膜111dの上面が露出するように、該導電膜に平坦化処理を施すことにより、プラグ127およびプラグ145等を形成する(図9(D)参照。)。 Subsequently, openings are formed in the barrier film 111d, the insulating film 115d, and the barrier film 111e. After that, a conductive film to be the plug 127 or the like is formed so as to fill the opening, and the conductive film is planarized to form the plug 127, the plug 145, or the like so that the upper surface of the barrier film 111d is exposed. (Refer to FIG. 9 (D).).
続いて、絶縁膜115cを形成する(図10(A)参照。)。次いで、絶縁膜115cに開口部を形成する。その後、開口を埋めるように導電膜を形成し、絶縁膜115cの上面が露出するように、該導電膜に平坦化処理を施すことにより、導電層146および導電層153a等を形成する(図10(B)参照。)。導電層153aは、容量素子の電極として機能する。 Subsequently, an insulating film 115c is formed (see FIG. 10A). Next, an opening is formed in the insulating film 115c. After that, a conductive film is formed so as to fill the opening, and the conductive film is planarized to expose the top surface of the insulating film 115c, whereby the conductive layer 146, the conductive layer 153a, and the like are formed (FIG. 10). (B) see). The conductive layer 153 a functions as an electrode of a capacitor.
次に、導電層154a、導電層154b、プラグ126およびプラグ147を、図9に示したのと同様な方法を用いて作製した後、バリア膜111aを成膜し、バリア膜111aの導電層143と接する領域に開口部を設けた後、導電膜を成膜する。その後、レジストマスクを形成し、該導電膜の不要な部分をエッチングにより除去する。その後レジストマスクを除去することにより、導電層152、導電層154eおよび第2のゲート電極として機能する導電層105を形成することができる(図10(C)参照。)。 Next, the conductive layer 154a, the conductive layer 154b, the plug 126, and the plug 147 are manufactured using a method similar to that shown in FIG. 9, and then the barrier film 111a is formed, and the conductive layer 143 of the barrier film 111a is formed. After an opening is provided in a region in contact with the conductive film, a conductive film is formed. After that, a resist mask is formed, and unnecessary portions of the conductive film are removed by etching. After that, the resist mask is removed, whereby the conductive layer 152, the conductive layer 154e, and the conductive layer 105 functioning as a second gate electrode can be formed (see FIG. 10C).
ここで、図9(D)において、バリア膜111dには平坦化処理が施されている。図9乃至図10に示すように、バリア膜111dをそのまま容量素子の絶縁膜として用いてもよい。あるいは図9(D)乃至図10(C)の工程は、例えば以下に示す図13(A)乃至図14(B)の工程に置き換えてもよい。バリア膜111dを一度除去してから再度、成膜を行ってもよい。その例を図13乃至図14に示す。例えばCMP法などにより平坦化処理を行った場合に、膜の表面等に、時としてダメージなどが生じる場合がある。その場合は、以下に説明するように、ダメージが生じた膜、あるいは膜の表面領域を除去してから再度、容量素子に用いる絶縁膜を成膜することにより、容量特性をより向上させることができる。 Here, in FIG. 9D, the barrier film 111d is subjected to planarization. As shown in FIGS. 9 to 10, the barrier film 111d may be used as it is as an insulating film of a capacitor. Alternatively, the steps of FIGS. 9D to 10C may be replaced with the steps of FIGS. 13A to 14B shown below, for example. Film formation may be performed again after the barrier film 111d is removed once. The example is shown in FIG. 13 to FIG. For example, when the planarization process is performed by a CMP method or the like, damage or the like sometimes occurs on the surface of the film or the like. In that case, as described below, the capacitance characteristic can be further improved by removing the damaged film or the surface area of the film and then forming the insulating film used for the capacitor element again. it can.
図13(A)は、図9(D)において説明した通り、バリア膜111d及びプラグ127等となる導電膜に平坦化処理を施した状態を示す。その後、図13(B)に示すように、バリア膜111dをエッチングなどにより除去する。その後、バリア膜111fを形成する。次に、レジストマスクを形成し、エッチングを行うことによりバリア膜111fのうち、プラグ127やプラグ145などのプラグ上のバリア膜111fに開口部を設ける。その後、レジストマスクを除去する(図13(C)参照。)。 FIG. 13A shows a state in which the conductive film to be the barrier film 111d, the plug 127, and the like is planarized as described with reference to FIG. 9D. Thereafter, as shown in FIG. 13B, the barrier film 111d is removed by etching or the like. Thereafter, the barrier film 111f is formed. Next, a resist mask is formed and etching is performed to form an opening portion in the barrier film 111f over the plug such as the plug 127 and the plug 145 in the barrier film 111f. After that, the resist mask is removed (see FIG. 13C).
次に、絶縁膜115cを形成する。その後、レジストマスクを形成し、エッチングを行うことにより絶縁膜115cに開口部を設ける。次いで、該開口部を埋め込むように導電層146、導電層153a等を形成する(図14(A)参照。)。 Next, the insulating film 115c is formed. After that, a resist mask is formed and etching is performed to form an opening in the insulating film 115c. Next, the conductive layer 146, the conductive layer 153a, and the like are formed so as to fill the opening (see FIG. 14A).
次に、バリア膜111cを成膜し、次いで、絶縁膜115bを成膜する。その後、導電層154c、導電層154d、バリア膜111f、プラグ127およびプラグ145を形成したのと同様の方法を用いて、導電層154a、導電層154b、バリア膜111g、プラグ126およびプラグ147を形成する。 Next, the barrier film 111c is formed, and then the insulating film 115b is formed. After that, conductive layer 154a, conductive layer 154b, barrier film 111g, plug 126 and plug 147 are formed using the same method as forming conductive layer 154c, conductive layer 154d, barrier film 111f, plug 127 and plug 145. Do.
次に、絶縁膜115aを成膜する。その後、導電層146および導電層153aを形成したのと同様の方法を用いて、導電層125および導電層151を形成する。その後、バリア膜111aを成膜する。その後、バリア膜111aに開口部を設けた後、導電膜を形成し、レジストマスク等を用いて導電層105、導電層152および導電層154eを形成する(図14(B)参照。)。以上が、図9(D)乃至図10(C)の工程を図13(A)乃至図14(B)の工程に置き換えた場合の説明である。 Next, the insulating film 115a is formed. After that, the conductive layer 125 and the conductive layer 151 are formed by using the same method as the conductive layer 146 and the conductive layer 153a. Thereafter, the barrier film 111a is formed. After that, an opening is provided in the barrier film 111a, a conductive film is formed, and the conductive layer 105, the conductive layer 152, and the conductive layer 154e are formed using a resist mask or the like (see FIG. 14B). The above is the description in the case where the steps of FIGS. 9D to 10C are replaced with the steps of FIGS. 13A to 14B.
絶縁膜115a乃至絶縁膜115eは、絶縁膜136等と同様の材料および方法により形成することができる。 The insulating films 115a to 115e can be formed using the same material and method as the insulating film 136 and the like.
バリア膜111a乃至バリア膜111gは、例えばスパッタリング法、CVD法(熱CVD法、MOCVD法、PECVD法等を含む)、MBE法、ALD法またはPLD法などを用いて形成することができる。特に、当該絶縁膜をCVD法、好ましくはプラズマCVD法によって成膜すると、被覆性を向上させることができるため好ましい。またプラズマによるダメージを減らすには、熱CVD法、MOCVD法あるいはALD法が好ましい。バリア膜111a乃至バリア膜111gに用いることができる材料は、バリア膜111の記載を参照すればよい。 The barrier films 111a to 111g can be formed by, for example, a sputtering method, a CVD method (including a thermal CVD method, an MOCVD method, a PECVD method, or the like), an MBE method, an ALD method, a PLD method, or the like. In particular, it is preferable to form the insulating film by a CVD method, preferably a plasma CVD method, because coverage can be improved. Further, in order to reduce the plasma damage, a thermal CVD method, an MOCVD method or an ALD method is preferable. For materials that can be used for the barrier films 111a to 111g, the description of the barrier film 111 can be referred to.
絶縁膜115eを形成した後、第3の加熱処理を行うことが好ましい。第3の加熱処理により、各層に含まれる水や水素を脱離させることにより、水や水素の含有量を低減することができる。バリア膜111eを形成する直前に第3の加熱処理を施し、バリア膜111eよりも下層に含まれる水素や水を徹底的に除去した後に、バリア膜111eを形成することで、後の工程でバリア膜111eよりも下層側に水や水素が再度拡散してしまうことを抑制することができる。 After the insulating film 115 e is formed, third heat treatment is preferably performed. By the third heat treatment, the content of water or hydrogen can be reduced by desorbing water or hydrogen contained in each layer. A third heat treatment is performed immediately before the barrier film 111e is formed to thoroughly remove hydrogen and water contained in the lower layer than the barrier film 111e, and then the barrier film 111e is formed, whereby a barrier in a later step is obtained. It is possible to suppress the re-diffusion of water and hydrogen to the lower layer side of the film 111e.
第3の加熱処理は、上記積層構造の説明で例示した条件で行うことができる。例えば第1の加熱処理で説明した条件などを用いることができる。なお、絶縁膜115a乃至絶縁膜115dを成膜した後にも、それぞれの絶縁膜の成膜後に同様の熱処理を行ってもよい。 The third heat treatment can be performed under the conditions exemplified in the description of the above laminated structure. For example, the conditions described in the first heat treatment can be used. Note that similar heat treatment may be performed after the formation of the insulating films 115 a to 115 d after the formation of the respective insulating films.
この段階で、容量素子150が形成される。容量素子150は、一部が第1の電極として機能する導電層152および導電層154a乃至導電層154eと、一部が第2の電極として機能する導電層151、導電層153aおよび導電層153bと、これらに挟持されたバリア膜111a乃至バリア膜111eによって構成されている。 At this stage, the capacitive element 150 is formed. The capacitor 150 includes a conductive layer 152 and a conductive layer 154a to a conductive layer 154e, part of which functions as a first electrode, and a conductive layer 151, a conductive layer 153a, and a conductive layer 153b, part of which functions as a second electrode. And the barrier films 111a to 111e sandwiching them.
次に、絶縁膜114を成膜する。絶縁膜114は、例えばスパッタリング法、CVD法(熱CVD法、MOCVD法、PECVD法等を含む)、MBE法、ALD法またはPLD法などを用いて形成することができる。特に、当該絶縁膜をCVD法、好ましくはプラズマCVD法によって成膜すると、被覆性を向上させることができるため好ましい。またプラズマによるダメージを減らすには、熱CVD法、MOCVD法あるいはALD法が好ましい。 Next, the insulating film 114 is formed. The insulating film 114 can be formed by, for example, a sputtering method, a CVD method (including a thermal CVD method, an MOCVD method, a PECVD method, or the like), an MBE method, an ALD method, a PLD method, or the like. In particular, it is preferable to form the insulating film by a CVD method, preferably a plasma CVD method, because coverage can be improved. Further, in order to reduce the plasma damage, a thermal CVD method, an MOCVD method or an ALD method is preferable.
絶縁膜114に酸素を過剰に含有させるためには、例えば酸素雰囲気下にて絶縁膜114の成膜を行えばよい。または、成膜後の絶縁膜114に酸素を導入して酸素を過剰に含有する領域を形成してもよく、双方の手段を組み合わせてもよい。 In order to make the insulating film 114 contain oxygen in excess, for example, the insulating film 114 may be formed in an oxygen atmosphere. Alternatively, oxygen may be introduced into the insulating film 114 after film formation to form a region containing excess oxygen, or both of the methods may be combined.
例えば、成膜後の絶縁膜114に酸素(少なくとも酸素ラジカル、酸素原子、酸素イオンのいずれかを含む)を導入して酸素を過剰に含有する領域を形成する。酸素の導入方法としては、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオン注入法、プラズマ処理などを用いることができる。 For example, oxygen (including at least one of oxygen radicals, oxygen atoms, and oxygen ions) is introduced into the insulating film 114 after film formation to form a region containing excess oxygen. As a method for introducing oxygen, an ion implantation method, an ion doping method, a plasma immersion ion implantation method, plasma treatment, or the like can be used.
酸素導入処理には、酸素を含むガスを用いることができる。酸素を含むガスとしては、酸素、一酸化二窒素、二酸化窒素、二酸化炭素、一酸化炭素などを用いることができる。また、酸素導入処理において、酸素を含むガスに希ガスを含ませてもよい。または、水素等を含ませてもよい。例えば、二酸化炭素、水素およびアルゴンの混合ガスを用いるとよい。 An oxygen-containing gas can be used for the oxygen introduction process. As the gas containing oxygen, oxygen, dinitrogen monoxide, nitrogen dioxide, carbon dioxide, carbon monoxide and the like can be used. In addition, in the oxygen introduction process, a gas containing oxygen may contain a rare gas. Alternatively, hydrogen or the like may be included. For example, a mixed gas of carbon dioxide, hydrogen and argon may be used.
また、絶縁膜114を成型した後、その上面の平坦性を高めるためにCMP法等を用いた平坦化処理を行ってもよい。 In addition, after the insulating film 114 is formed, planarization treatment using a CMP method or the like may be performed in order to improve the planarity of the top surface.
次に、半導体層101aとなる半導体膜と、半導体層101bとなる半導体膜を順に成膜する。当該半導体膜は、大気に触れさせることなく連続して成膜することが好ましい。半導体層101aとなる半導体、および半導体層101bとなる半導体は、スパッタリング法、CVD法、MBE法またはPLD法、ALD法などを用いて成膜すればよい。 Next, a semiconductor film to be the semiconductor layer 101 a and a semiconductor film to be the semiconductor layer 101 b are sequentially formed. It is preferable that the semiconductor film be formed successively without being exposed to the air. The semiconductor to be the semiconductor layer 101a and the semiconductor to be the semiconductor layer 101b may be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.
なお、半導体層101aとなる半導体、および半導体層101bとなる半導体として、In−Ga−Zn酸化物層をMOCVD法によって成膜する場合、原料ガスとしてトリメチルインジウム、トリメチルガリウムおよびジメチル亜鉛などを用いればよい。なお、上記原料ガスの組み合わせに限定されず、トリメチルインジウムに代えてトリエチルインジウムなどを用いてもよい。また、トリメチルガリウムに代えてトリエチルガリウムなどを用いてもよい。また、ジメチル亜鉛に代えてジエチル亜鉛などを用いてもよい。 Note that when an In—Ga—Zn oxide layer is formed by MOCVD as a semiconductor to be the semiconductor layer 101a and a semiconductor to be the semiconductor layer 101b, trimethylindium, trimethylgallium, dimethylzinc, or the like can be used as a source gas. Good. In addition, it is not limited to the combination of the said source gas, It may replace with a trimethyl indium and a triethyl indium etc. may be used. Further, triethyl gallium or the like may be used instead of trimethyl gallium. Also, diethylzinc or the like may be used instead of dimethylzinc.
半導体膜を成膜後、第4の加熱処理を行うことが好ましい。加熱処理は、250℃以上650℃以下、好ましくは300℃以上500℃以下の温度で、不活性ガス雰囲気、酸化性ガスを10ppm以上含む雰囲気、または減圧状態で行えばよい。また、加熱処理の雰囲気は、不活性ガス雰囲気で加熱処理した後に、脱離した酸素を補うために酸化性ガスを10ppm以上含む雰囲気で行ってもよい。加熱処理は、半導体膜を成膜した直後に行ってもよいし、半導体膜を加工して島状の半導体層101aおよび101bを形成した後に行ってもよい。加熱処理により、絶縁膜114や酸化物膜から半導体膜に酸素が供給され、半導体膜中の酸素欠損を低減することができる。 After the semiconductor film is formed, fourth heat treatment is preferably performed. The heat treatment may be performed at a temperature of 250 ° C. to 650 ° C., preferably 300 ° C. to 500 ° C., in an inert gas atmosphere, an atmosphere containing 10 ppm or more of an oxidizing gas, or reduced pressure. The heat treatment may be performed in an atmosphere containing 10 ppm or more of an oxidizing gas to compensate for the released oxygen after the heat treatment in an inert gas atmosphere. The heat treatment may be performed immediately after the formation of the semiconductor film, or may be performed after the semiconductor film is processed to form the island-shaped semiconductor layers 101a and 101b. By heat treatment, oxygen is supplied from the insulating film 114 or the oxide film to the semiconductor film, so that oxygen vacancies in the semiconductor film can be reduced.
その後、レジストマスクを形成し、不要な部分をエッチングにより除去する。その後レジストマスクを除去することにより、島状の半導体層101aと島状の半導体層101bの積層構造を形成することができる(図11(A)参照。)。なお、半導体膜のエッチングの際に、絶縁膜114の一部がエッチングされ、半導体層101a及び半導体層101bに覆われていない領域における絶縁膜114が薄膜化することがある。したがって、当該エッチングにより絶縁膜114が消失しないよう、予め厚く形成しておくことが好ましい。 After that, a resist mask is formed, and unnecessary portions are removed by etching. After that, the resist mask is removed, whereby a stacked-layer structure of the island-shaped semiconductor layer 101a and the island-shaped semiconductor layer 101b can be formed (see FIG. 11A). Note that when the semiconductor film is etched, part of the insulating film 114 is etched, which may result in thinning of the insulating film 114 in a region which is not covered with the semiconductor layer 101 a and the semiconductor layer 101 b. Therefore, it is preferable to form the insulating film 114 thick beforehand so that the insulating film 114 does not disappear by the etching.
その後、導電膜104を成膜する(図11(B)参照。)。導電膜104の形成は、例えばスパッタリング法、CVD法(熱CVD法、MOCVD法、PECVD法等を含む)、MBE法、ALD法またはPLD法などを用いて形成することができる。特に、当該絶縁膜をCVD法、好ましくはプラズマCVD法によって成膜すると、被覆性を向上させることができるため好ましい。またプラズマによるダメージを減らすには、熱CVD法、MOCVD法あるいはALD法が好ましい。 After that, the conductive film 104 is formed (see FIG. 11B). The conductive film 104 can be formed by, for example, a sputtering method, a CVD method (including a thermal CVD method, an MOCVD method, a PECVD method, or the like), an MBE method, an ALD method, a PLD method, or the like. In particular, it is preferable to form the insulating film by a CVD method, preferably a plasma CVD method, because coverage can be improved. Further, in order to reduce the plasma damage, a thermal CVD method, an MOCVD method or an ALD method is preferable.
次に、レジストマスクを形成し、導電膜104の不要な部分をエッチングにより除去する。その後レジストマスクを除去し、導電層104aおよび導電層104bを形成する。ここで、導電膜のエッチングの際に、半導体層101bや絶縁膜114の上部の一部がエッチングされ、導電層104a及び導電層104bと重ならない部分が薄膜化することがある。したがって、半導体層101bとなる半導体膜等の厚さを、エッチングされる深さを考慮して予め厚く形成しておくことが好ましい。 Next, a resist mask is formed, and unnecessary portions of the conductive film 104 are removed by etching. After that, the resist mask is removed, and conductive layers 104a and 104b are formed. Here, when the conductive film is etched, part of the top of the semiconductor layer 101b or the insulating film 114 may be etched, and a portion which does not overlap with the conductive layer 104a or the conductive layer 104b may be thinned. Therefore, it is preferable that the thickness of the semiconductor film or the like to be the semiconductor layer 101 b be formed in advance in consideration of the depth to be etched.
次に、ゲート絶縁膜102、半導体層101cを成膜し、レジストマスクを形成し、エッチングにより加工し、その後レジストマスクを除去する。次にゲート電極103となる導電膜を成膜する(図12(A)参照。)。その後、レジストマスクを形成し、エッチングにより該導電膜を加工し、その後レジストマスクを除去してゲート電極103を形成する。半導体層101cとなる半導体は、スパッタリング法、CVD法、MBE法またはPLD法、ALD法などを用いて成膜すればよい。 Next, the gate insulating film 102 and the semiconductor layer 101c are formed, a resist mask is formed, and the resist mask is processed by etching. Thereafter, the resist mask is removed. Next, a conductive film to be the gate electrode 103 is formed (see FIG. 12A). After that, a resist mask is formed, the conductive film is processed by etching, and then the resist mask is removed to form the gate electrode 103. The semiconductor to be the semiconductor layer 101c may be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.
なお、半導体層101cとなる半導体として、In−Ga−Zn酸化物層をMOCVD法によって成膜する場合、原料ガスとしてトリメチルインジウム、トリメチルガリウムおよびジメチル亜鉛などを用いればよい。なお、上記原料ガスの組み合わせに限定されず、トリメチルインジウムに代えてトリエチルインジウムなどを用いてもよい。また、トリメチルガリウムに代えてトリエチルガリウムなどを用いてもよい。また、ジメチル亜鉛に代えてジエチル亜鉛などを用いてもよい。 Note that in the case where an In—Ga—Zn oxide layer is formed by MOCVD as a semiconductor to be the semiconductor layer 101c, trimethyl indium, trimethyl gallium, dimethyl zinc, or the like may be used as a source gas. In addition, it is not limited to the combination of the said source gas, It may replace with a trimethyl indium and a triethyl indium etc. may be used. Further, triethyl gallium or the like may be used instead of trimethyl gallium. Also, diethylzinc or the like may be used instead of dimethylzinc.
この段階でトランジスタ100が形成される。 At this stage, the transistor 100 is formed.
次に、絶縁膜112を形成する。絶縁膜112は、例えばスパッタリング法、CVD法(熱CVD法、MOCVD法、PECVD法等を含む)、MBE法、ALD法またはPLD法などを用いて形成することができる。特に、当該絶縁膜をCVD法、好ましくはプラズマCVD法によって成膜すると、被覆性を向上させることができるため好ましい。またプラズマによるダメージを減らすには、熱CVD法、MOCVD法あるいはALD法が好ましい。 Next, the insulating film 112 is formed. The insulating film 112 can be formed by, for example, a sputtering method, a CVD method (including a thermal CVD method, an MOCVD method, a PECVD method, or the like), an MBE method, an ALD method, a PLD method, or the like. In particular, it is preferable to form the insulating film by a CVD method, preferably a plasma CVD method, because coverage can be improved. Further, in order to reduce the plasma damage, a thermal CVD method, an MOCVD method or an ALD method is preferable.
絶縁膜112の成膜後、第5の加熱処理を行うことが好ましい。加熱処理により、絶縁膜114等から半導体層101に対して酸素を供給し、半導体層101中の酸素欠損を低減することができる。またこのとき、絶縁膜114から脱離した酸素は、バリア膜111及び絶縁膜112によってブロックされ、バリア膜111よりも下層及び絶縁膜114よりも上層には拡散しないため、当該酸素を効果的に閉じ込めることができる。そのため半導体層101に供給しうる酸素の量を増大させることができ、半導体層101中の酸素欠損を効果的に低減することができる。 After the formation of the insulating film 112, fifth heat treatment is preferably performed. By heat treatment, oxygen can be supplied from the insulating film 114 or the like to the semiconductor layer 101, so that oxygen vacancies in the semiconductor layer 101 can be reduced. At this time, since the oxygen desorbed from the insulating film 114 is blocked by the barrier film 111 and the insulating film 112 and is not diffused in the lower layer and the upper layer of the barrier film 111, the oxygen is effectively removed. It can be locked up. Therefore, the amount of oxygen which can be supplied to the semiconductor layer 101 can be increased, and oxygen vacancies in the semiconductor layer 101 can be effectively reduced.
また、絶縁膜112を2層以上の積層構造としてもよい。その場合には、例えば絶縁膜112を2層の積層構造とし、下層に例えば酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、窒化アルミニウムなどを用いればよい。また上層にはバリア膜111と同様に水や水素が拡散しにくい材料を用いることが好ましい。また下層に設ける絶縁膜は、絶縁膜114と同様の、加熱により酸素が脱離する絶縁膜としてゲート絶縁膜102を介して半導体層101の上側からも酸素を供給する構成としてもよい。 Further, the insulating film 112 may have a stacked structure of two or more layers. In that case, for example, the insulating film 112 has a stacked structure of two layers, and silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, silicon nitride, aluminum oxide, aluminum oxynitride, aluminum nitride oxide, aluminum nitride, or the like is used in the lower layer. Just do it. In the upper layer, it is preferable to use a material to which water or hydrogen does not easily diffuse as in the barrier film 111. The insulating film provided in the lower layer may be configured to supply oxygen also from the upper side of the semiconductor layer 101 through the gate insulating film 102 as an insulating film from which oxygen is released by heating, as in the case of the insulating film 114.
続いて、絶縁膜113を形成する。絶縁膜113は、例えば酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、窒化アルミニウムなどを用いればよく、積層または単層で設ける。絶縁膜113は、例えばスパッタリング法、CVD法(熱CVD法、MOCVD法、PECVD法等を含む)、MBE法、ALD法またはPLD法などを用いて形成することができる。特に、CVD法、好ましくはプラズマCVD法によって成膜すると、被覆性を良好なものとすることができるため好ましい。またプラズマによるダメージを減らすには、熱CVD法、MOCVD法あるいはALD法が好ましい。 Subsequently, the insulating film 113 is formed. The insulating film 113 may be, for example, silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, aluminum oxide, aluminum oxynitride, aluminum oxynitride, aluminum nitride oxide, aluminum nitride, or the like, and is provided as a stacked layer or a single layer. The insulating film 113 can be formed by, for example, a sputtering method, a CVD method (including a thermal CVD method, an MOCVD method, a PECVD method, or the like), an MBE method, an ALD method, a PLD method, or the like. In particular, film formation by a CVD method, preferably plasma CVD method, is preferable because coverage can be improved. Further, in order to reduce the plasma damage, a thermal CVD method, an MOCVD method or an ALD method is preferable.
続いて、図12(B)に示すように、絶縁膜113、絶縁膜112、ゲート絶縁膜102、導電層104a、導電層104b、半導体層101b、半導体層101aおよび絶縁膜114に開口部を設ける。次いで、開口部を埋め込むように導電膜を形成した後、レジストマスクを用いて不要部分を除去し、レジストマスクを除去してプラグ121およびプラグ122を形成する。ここで、プラグ121は絶縁膜113、絶縁膜112、ゲート絶縁膜102、半導体層101c、導電層104a、半導体層101b、半導体層101a、絶縁膜114およびバリア膜111aを貫くように形成され、導電層151と接続する。ここで、プラグ121と導電層104aは、プラグ121の側面で接することにより接続する。同様に、プラグ122は絶縁膜113、絶縁膜112、ゲート絶縁膜102、半導体層101c、導電層104b、半導体層101b、半導体層101a、絶縁膜114およびバリア膜111aを貫くように形成され、導電層125と接続し、導電層104bはプラグ122の側面と接することにより接続する。 Subsequently, as illustrated in FIG. 12B, an opening is provided in the insulating film 113, the insulating film 112, the gate insulating film 102, the conductive layer 104a, the conductive layer 104b, the semiconductor layer 101b, the semiconductor layer 101a, and the insulating film 114. . Next, a conductive film is formed so as to fill the opening, and then an unnecessary portion is removed using a resist mask, and the resist mask is removed to form a plug 121 and a plug 122. Here, the plug 121 is formed to penetrate the insulating film 113, the insulating film 112, the gate insulating film 102, the semiconductor layer 101c, the conductive layer 104a, the semiconductor layer 101b, the semiconductor layer 101a, the insulating film 114, and the barrier film 111a. Connect with the layer 151. Here, the plug 121 and the conductive layer 104 a are connected by being in contact with the side surface of the plug 121. Similarly, the plug 122 is formed to penetrate the insulating film 113, the insulating film 112, the gate insulating film 102, the semiconductor layer 101c, the conductive layer 104b, the semiconductor layer 101b, the semiconductor layer 101a, the insulating film 114, and the barrier film 111a. The conductive layer 104 b is connected by being in contact with the side surface of the plug 122.
続いて、絶縁膜116を形成する。絶縁膜116は、例えば酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、窒化アルミニウムなどを用いればよく、積層または単層で設ける。絶縁膜116は、例えばスパッタリング法、CVD法(熱CVD法、MOCVD法、PECVD法等を含む)、MBE法、ALD法またはPLD法などを用いて形成することができる。また絶縁膜116として有機樹脂などの有機絶縁材料を用いる場合には、スピンコート法などの塗布法を用いて形成してもよい。また、絶縁膜116を形成した後にその上面に対して平坦化処理を行うことが好ましい。また、絶縁膜116として、絶縁膜138に示す材料や、形成方法を用いてもよい。 Subsequently, the insulating film 116 is formed. The insulating film 116 may be, for example, silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, aluminum oxide, aluminum oxynitride, aluminum oxynitride, aluminum nitride oxide, aluminum nitride, or the like, and is provided as a stacked layer or a single layer. The insulating film 116 can be formed by, for example, a sputtering method, a CVD method (including a thermal CVD method, an MOCVD method, a PECVD method, or the like), an MBE method, an ALD method, a PLD method, or the like. In the case of using an organic insulating material such as an organic resin as the insulating film 116, a coating method such as a spin coating method may be used. After the insulating film 116 is formed, planarization treatment is preferably performed on the top surface thereof. Alternatively, as the insulating film 116, a material or a formation method shown in the insulating film 138 may be used.
続いて、上記と同様の方法により、絶縁膜116に、プラグ122に達するプラグ123等を形成する。 Subsequently, the plug 123 and the like reaching the plug 122 are formed in the insulating film 116 by the same method as described above.
続いて、絶縁膜116上に導電膜を成膜する。その後上記と同様の方法によりレジストマスクを形成し、導電膜の不要な部分をエッチングにより除去する。その後レジストマスクを除去することにより、配線124等を形成することができる(図12(B)参照。)。 Subsequently, a conductive film is formed over the insulating film 116. Thereafter, a resist mask is formed by the same method as described above, and unnecessary portions of the conductive film are removed by etching. After that, the wiring 124 and the like can be formed by removing the resist mask (see FIG. 12B).
以上の工程により、本発明の一態様の半導体装置を作製することができる。 Through the above steps, the semiconductor device of one embodiment of the present invention can be manufactured.
なお、半導体層101aおよび半導体層101bを形成する際に、導電膜104を形成してからレジストマスクを形成し、導電膜104をエッチングした後、半導体層101aとなる半導体層および半導体層101bとなる半導体層をエッチングにより形成し、図15(A)に示す構造としてもよい。その後、導電膜104を再び加工し導電層104aおよび導電層104bを形成し、図12乃至図13で示す工程を経て、トランジスタ100は図15(B)に示すような構造とすることができる。 Note that in forming the semiconductor layer 101a and the semiconductor layer 101b, the conductive film 104 is formed and then a resist mask is formed, and after the conductive film 104 is etched, the semiconductor layer to be the semiconductor layer 101a and the semiconductor layer 101b are formed. The semiconductor layer may be formed by etching to have a structure illustrated in FIG. After that, the conductive film 104 is processed again to form a conductive layer 104a and a conductive layer 104b. Through the steps shown in FIGS. 12 to 13, the transistor 100 can have a structure as shown in FIG.
また、図15(B)に示すトランジスタ100と異なる構造のトランジスタ100の作製方法の例として、図1に記載のトランジスタ100について、その作製方法の例を簡単に説明する。 Further, as an example of a method for manufacturing the transistor 100 having a structure different from that of the transistor 100 illustrated in FIG. 15B, an example of a method for manufacturing the transistor 100 in FIG. 1 is briefly described.
まず絶縁膜114上に半導体層101となる半導体膜を形成した後、レジストマスク等を形成し、エッチングを行い、半導体層101を形成する。次に、ゲート絶縁膜102となる絶縁膜およびゲート電極103となる導電膜を形成し、レジストマスク等を形成し、エッチングを行い、ゲート電極103およびゲート絶縁膜102を形成する。 First, a semiconductor film to be the semiconductor layer 101 is formed over the insulating film 114, a resist mask or the like is formed, and etching is performed to form the semiconductor layer 101. Next, an insulating film to be the gate insulating film 102 and a conductive film to be the gate electrode 103 are formed, a resist mask or the like is formed, and etching is performed to form the gate electrode 103 and the gate insulating film 102.
次に、低抵抗領域171aおよび低抵抗領域171bを形成する。キャリア密度の高い半導体層は、抵抗が低くなる。キャリア密度を高める方法として、たとえば不純物の添加や、酸素欠損の形成等が挙げられる。例えばキャリア密度を高める方法として、イオン注入を用いて元素を添加すればよい。用いることのできる元素としては、例えばアルゴン、ホウ素、炭素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、カルシウム、スカンジウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、ガリウム、ゲルマニウム、ヒ素、イットリウム、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、インジウム、スズ、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステンから選択された一種以上を添加することが好ましい。 Next, the low resistance region 171a and the low resistance region 171b are formed. The semiconductor layer with high carrier density has low resistance. Examples of methods for increasing the carrier density include the addition of impurities, the formation of oxygen vacancies, and the like. For example, as a method for increasing the carrier density, elements may be added using ion implantation. As an element which can be used, for example, argon, boron, carbon, magnesium, aluminum, silicon, phosphorus, calcium, scandium, titanium, vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, gallium, germanium, arsenic, yttrium, zirconium It is preferable to add one or more selected from niobium, molybdenum, indium, tin, lanthanum, cerium, neodymium, hafnium, tantalum and tungsten.
このような抵抗の低い領域では、例えば不要な水素をトラップすることができる可能性がある。不要な水素を低抵抗層にトラップすることによりチャネル領域の水素濃度を低くし、良好なトランジスタ特性を得ることができる。 In such a low resistance region, for example, unnecessary hydrogen may be able to be trapped. By trapping unnecessary hydrogen in the low resistance layer, the hydrogen concentration in the channel region can be lowered and good transistor characteristics can be obtained.
次に、絶縁膜112および絶縁膜113を形成する。その後、上記に示した方法でプラグ121およびプラグ122を形成する。以上の工程により、図1に示すトランジスタ100を作製することができる。 Next, the insulating film 112 and the insulating film 113 are formed. Thereafter, the plug 121 and the plug 122 are formed by the method described above. Through the above steps, the transistor 100 illustrated in FIG. 1 can be manufactured.
(実施の形態2)
本実施の形態では、実施の形態1に示すトランジスタ100に好適に用いることのできる酸化物半導体について説明する。
Second Embodiment
In this embodiment, an oxide semiconductor which can be preferably used for the transistor 100 described in Embodiment 1 will be described.
ここでは、図6に例として示すように、酸化物半導体として半導体層101a、半導体層101bおよび半導体層101cの3層を積層して用いる例を示すが、トランジスタ100に用いることのできる酸化物半導体は、単層でもよい。また、半導体層101a、半導体層101bおよび半導体層101cのうち、いずれか、または両方を有さない構造としてもよい。 Here, as shown as an example in FIG. 6, an example in which three layers of a semiconductor layer 101a, a semiconductor layer 101b, and a semiconductor layer 101c are stacked and used as an oxide semiconductor is described; however, an oxide semiconductor that can be used for the transistor 100 May be a single layer. Alternatively, one or both of the semiconductor layer 101a, the semiconductor layer 101b, and the semiconductor layer 101c may be omitted.
半導体層101bは、例えば、インジウムを含む酸化物半導体である。半導体層101bは、例えば、インジウムを含むと、キャリア移動度(電子移動度)が高くなる。また、半導体層101bは、元素Mを含むと好ましい。元素Mは、好ましくは、アルミニウム、ガリウム、イットリウムまたはスズなどとする。そのほかの元素Mに適用可能な元素としては、ホウ素、シリコン、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステンなどがある。ただし、元素Mとして、前述の元素を複数組み合わせても構わない場合がある。元素Mは、例えば、酸素との結合エネルギーが高い元素である。例えば、酸素との結合エネルギーがインジウムよりも高い元素である。または、元素Mは、例えば、酸化物半導体のエネルギーギャップを大きくする機能を有する元素である。また、半導体層101bは、亜鉛を含むと好ましい。酸化物半導体は、亜鉛を含むと結晶化しやすくなる場合がある。 The semiconductor layer 101 b is, for example, an oxide semiconductor containing indium. When the semiconductor layer 101 b contains, for example, indium, the carrier mobility (electron mobility) becomes high. The semiconductor layer 101 b preferably contains the element M. The element M is preferably aluminum, gallium, yttrium or tin. Other elements applicable to the element M include boron, silicon, titanium, iron, nickel, germanium, yttrium, zirconium, molybdenum, lanthanum, cerium, neodymium, hafnium, tantalum, tungsten and the like. However, as the element M, a plurality of the aforementioned elements may be combined in some cases. The element M is, for example, an element having a high binding energy to oxygen. For example, it is an element whose binding energy to oxygen is higher than that of indium. Alternatively, the element M is, for example, an element having a function of increasing the energy gap of the oxide semiconductor. The semiconductor layer 101 b preferably contains zinc. An oxide semiconductor may be easily crystallized when it contains zinc.
ただし、半導体層101bは、インジウムを含む酸化物半導体に限定されない。半導体層101bは、例えば、亜鉛スズ酸化物、ガリウムスズ酸化物などの、インジウムを含まず、亜鉛を含む酸化物半導体、ガリウムを含む酸化物半導体、スズを含む酸化物半導体などであっても構わない。 However, the semiconductor layer 101 b is not limited to an oxide semiconductor containing indium. The semiconductor layer 101b may be, for example, an oxide semiconductor not containing indium but containing zinc, an oxide semiconductor containing gallium, an oxide semiconductor containing tin, or the like, such as zinc tin oxide or gallium tin oxide. .
半導体層101bは、例えば、エネルギーギャップが大きい酸化物を用いる。半導体層101bのエネルギーギャップは、例えば、2.5eV以上4.2eV以下、好ましくは2.8eV以上3.8eV以下、さらに好ましくは3eV以上3.5eV以下とする。 For example, an oxide with a large energy gap is used for the semiconductor layer 101b. The energy gap of the semiconductor layer 101b is, for example, 2.5 eV or more and 4.2 eV or less, preferably 2.8 eV or more and 3.8 eV or less, more preferably 3 eV or more and 3.5 eV or less.
例えば、半導体層101aおよび半導体層101cは、半導体層101bを構成する酸素以外の元素一種以上、または二種以上から構成される酸化物半導体である。半導体層101bを構成する酸素以外の元素一種以上、または二種以上から半導体層101aおよび半導体層101cが構成されるため、半導体層101aと半導体層101bとの界面、および半導体層101bと半導体層101cとの界面において、界面準位が形成されにくい。 For example, the semiconductor layer 101a and the semiconductor layer 101c are oxide semiconductors including one or more elements or two or more elements other than oxygen included in the semiconductor layer 101b. Since the semiconductor layer 101a and the semiconductor layer 101c are formed of one or more elements or two or more elements other than oxygen constituting the semiconductor layer 101b, the interface between the semiconductor layer 101a and the semiconductor layer 101b, and the semiconductor layer 101b and the semiconductor layer 101c An interface state is less likely to be formed at the interface with the
半導体層101a、半導体層101bおよび半導体層101cは、少なくともインジウムを含むと好ましい。なお、半導体層101aがIn−M−Zn酸化物のとき、InおよびMの和を100atomic%としたとき、好ましくはInが50atomic%未満、Mが50atomic%以上、さらに好ましくはInが25atomic%未満、Mが75atomic%以上とする。また、半導体層101bがIn−M−Zn酸化物のとき、InおよびMの和を100atomic%としたとき、好ましくはInが25atomic%以上、Mが75atomic%未満、さらに好ましくはInが34atomic%以上、Mが66atomic%未満とする。また、半導体層101cがIn−M−Zn酸化物のとき、InおよびMの和を100atomic%としたとき、好ましくはInが50atomic%未満、Mが50atomic%以上、さらに好ましくはInが25atomic%未満、Mが75atomic%以上とする。なお、半導体層101cは、半導体層101aと同種の酸化物を用いても構わない。 The semiconductor layers 101a, 101b, and 101c preferably contain at least indium. Note that when the sum of In and M is 100 atomic% when the semiconductor layer 101a is an In-M-Zn oxide, preferably In is less than 50 atomic%, M is 50 atomic% or more, and more preferably In is less than 25 atomic%. , M is 75 atomic% or more. When the semiconductor layer 101 b is an In—M—Zn oxide, the sum of In and M is 100 atomic%, preferably 25 atomic% or more of In and less than 75 atomic% of M, more preferably 34 atomic% or more of In. , M is less than 66 atomic%. When the semiconductor layer 101c is an In-M-Zn oxide, when the sum of In and M is 100 atomic%, preferably In is less than 50 atomic%, M is 50 atomic% or more, and more preferably In is less than 25 atomic%. , M is 75 atomic% or more. Note that an oxide of the same type as the semiconductor layer 101 a may be used for the semiconductor layer 101 c.
半導体層101bは、半導体層101aおよび半導体層101cよりも電子親和力の大きい酸化物を用いる。例えば、半導体層101bとして、半導体層101aおよび半導体層101cよりも電子親和力の0.07eV以上1.3eV以下、好ましくは0.1eV以上0.7eV以下、さらに好ましくは0.15eV以上0.4eV以下大きい酸化物を用いる。なお、電子親和力は、真空準位と伝導帯下端のエネルギーとの差である。 The semiconductor layer 101 b uses an oxide having a larger electron affinity than the semiconductor layer 101 a and the semiconductor layer 101 c. For example, as the semiconductor layer 101b, the semiconductor layer 101a and the semiconductor layer 101c have an electron affinity of 0.07 eV or more and 1.3 eV or less, preferably 0.1 eV or more and 0.7 eV or less, more preferably 0.15 eV or more and 0.4 eV or less Use large oxides. The electron affinity is the difference between the vacuum level and the energy at the lower end of the conduction band.
なお、インジウムガリウム酸化物は、小さい電子親和力と、高い酸素ブロック性を有する。そのため、半導体層101cがインジウムガリウム酸化物を含むと好ましい。ガリウム原子割合[Ga/(In+Ga)]は、例えば、70%以上、好ましくは80%以上、さらに好ましくは90%以上とする。 Note that indium gallium oxide has a small electron affinity and a high oxygen blocking property. Therefore, it is preferable that the semiconductor layer 101 c contain indium gallium oxide. The gallium atom ratio [Ga / (In + Ga)] is, for example, 70% or more, preferably 80% or more, and more preferably 90% or more.
このとき、ゲート電極に電界を印加すると、半導体層101a、半導体層101b、半導体層101cのうち、電子親和力の大きい半導体層101bにチャネルが形成される。 At this time, when an electric field is applied to the gate electrode, a channel is formed in the semiconductor layer 101b having high electron affinity among the semiconductor layers 101a, 101b, and 101c.
ここでバンド構造について図18(A)に示す。図18(A)には、真空準位(vacuum levelと表記。)、各層の伝導帯下端のエネルギー(Ecと表記。)および価電子帯上端のエネルギー(Evと表記。)を示す。 Here, a band structure is shown in FIG. FIG. 18A shows the vacuum level (denoted as vacuum level), the energy at the lower end of the conduction band of each layer (denoted Ec), and the energy at the upper end of the valence band (denoted Ev).
ここで、半導体層101aと半導体層101bとの間には、半導体層101aと半導体層101bとの混合領域を有する場合がある。また、半導体層101bと半導体層101cとの間には、半導体層101bと半導体層101cとの混合領域を有する場合がある。混合領域は、界面準位密度が低くなる。そのため、半導体層101a、半導体層101bおよび半導体層101cの積層体は、それぞれの界面近傍において、エネルギーが連続的に変化する(連続接合ともいう。)バンド構造となる。 Here, a mixed region of the semiconductor layer 101a and the semiconductor layer 101b may be provided between the semiconductor layer 101a and the semiconductor layer 101b. In addition, a mixed region of the semiconductor layer 101b and the semiconductor layer 101c may be provided between the semiconductor layer 101b and the semiconductor layer 101c. The mixed region has a low interface state density. Therefore, a stack of the semiconductor layer 101a, the semiconductor layer 101b, and the semiconductor layer 101c has a band structure in which energy changes continuously (also referred to as a continuous junction) in the vicinity of each interface.
なお、図18(A)では、半導体層101aと第2の半導体層101cのEcが同様である場合について示したが、それぞれが異なっていてもよい。例えば、半導体層101aよりも半導体層101cのEcが高いエネルギーを有してもよい。 Although FIG. 18A shows the case where the Ec of the semiconductor layer 101a and the second semiconductor layer 101c are the same, they may be different. For example, Ec of the semiconductor layer 101c may have higher energy than the semiconductor layer 101a.
このとき、電子は、半導体層101a中および半導体層101c中ではなく、半導体層101b中を主として移動する(図18(B)参照。)。上述したように、半導体層101aおよび半導体層101bの界面における界面準位密度、半導体層101bと半導体層101cとの界面における界面準位密度が低くすることによって、半導体層101b中で電子の移動が阻害されることが少なく、トランジスタのオン電流を高くすることができる。 At this time, electrons move mainly in the semiconductor layer 101b, not in the semiconductor layer 101a and the semiconductor layer 101c (see FIG. 18B). As described above, by lowering the interface state density at the interface between the semiconductor layer 101a and the semiconductor layer 101b and the interface state density at the interface between the semiconductor layer 101b and the semiconductor layer 101c, electrons move in the semiconductor layer 101b. It is less disturbed, and the on current of the transistor can be increased.
なお、トランジスタがs−channel構造を有する場合、半導体層101bの全体にチャネルが形成される。したがって、半導体層101bが厚いほどチャネル領域は大きくなる。即ち、半導体層101bが厚いほど、トランジスタのオン電流を高くすることができる。例えば、20nm以上、好ましくは40nm以上、さらに好ましくは60nm以上、より好ましくは100nm以上の厚さの領域を有する半導体層101bとすればよい。ただし、半導体装置の生産性が低下する場合があるため、例えば、300nm以下、好ましくは200nm以下、さらに好ましくは150nm以下の厚さの領域を有する半導体層101bとすればよい。 Note that when the transistor has an s-channel structure, a channel is formed in the entire semiconductor layer 101 b. Therefore, the thicker the semiconductor layer 101b, the larger the channel region. That is, as the semiconductor layer 101 b is thicker, the on-state current of the transistor can be increased. For example, the semiconductor layer 101b may have a region with a thickness of 20 nm or more, preferably 40 nm or more, more preferably 60 nm or more, more preferably 100 nm or more. However, since the productivity of the semiconductor device may be reduced, for example, the semiconductor layer 101b may have a region with a thickness of 300 nm or less, preferably 200 nm or less, more preferably 150 nm or less.
また、トランジスタのオン電流を高くするためには、半導体層101cの厚さは小さいほど好ましい。例えば、10nm未満、好ましくは5nm以下、さらに好ましくは3nm以下の領域を有する半導体層101cとすればよい。一方、半導体層101cは、チャネルの形成される半導体層101bへ、隣接する絶縁体を構成する酸素以外の元素(水素、シリコンなど)が入り込まないようブロックする機能を有する。そのため、半導体層101cは、ある程度の厚さを有することが好ましい。例えば、0.3nm以上、好ましくは1nm以上、さらに好ましくは2nm以上の厚さの領域を有する半導体層101cとすればよい。また、半導体層101cは、絶縁膜102などから放出される酸素の外方拡散を抑制するために、酸素をブロックする性質を有すると好ましい。 In order to increase the on current of the transistor, the smaller the thickness of the semiconductor layer 101c, the better. For example, the semiconductor layer 101c may have a region of less than 10 nm, preferably 5 nm or less, more preferably 3 nm or less. On the other hand, the semiconductor layer 101c has a function of blocking entry of an element (such as hydrogen or silicon) other than oxygen which forms an adjacent insulator into the semiconductor layer 101b in which a channel is formed. Therefore, the semiconductor layer 101 c preferably has a certain thickness. For example, the semiconductor layer 101c may have a region with a thickness of 0.3 nm or more, preferably 1 nm or more, more preferably 2 nm or more. The semiconductor layer 101 c preferably has a property of blocking oxygen in order to suppress outward diffusion of oxygen released from the insulating film 102 or the like.
また、信頼性を高くするためには、半導体層101aは厚く、半導体層101cは薄いことが好ましい。例えば、10nm以上、好ましくは20nm以上、さらに好ましくは40nm以上、より好ましくは60nm以上の厚さの領域を有する半導体層101aとすればよい。半導体層101aの厚さを、厚くすることで、隣接する絶縁体と半導体層101aとの界面からチャネルの形成される半導体層101bまでの距離を離すことができる。ただし、半導体装置の生産性が低下する場合があるため、例えば、200nm以下、好ましくは120nm以下、さらに好ましくは80nm以下の厚さの領域を有する半導体層101aとすればよい。 Further, in order to increase the reliability, it is preferable that the semiconductor layer 101 a be thick and the semiconductor layer 101 c be thin. For example, the semiconductor layer 101a may have a region with a thickness of 10 nm or more, preferably 20 nm or more, more preferably 40 nm or more, more preferably 60 nm or more. By increasing the thickness of the semiconductor layer 101a, the distance from the interface between the adjacent insulator and the semiconductor layer 101a to the semiconductor layer 101b in which a channel is formed can be increased. However, since the productivity of the semiconductor device may be reduced, for example, the semiconductor layer 101a may have a region with a thickness of 200 nm or less, preferably 120 nm or less, more preferably 80 nm or less.
酸化物半導体膜に水素が多量に含まれると、酸化物半導体と結合することによって、水素の一部がドナーとなり、キャリアである電子を生じてしまう。これにより、トランジスタのしきい値電圧がマイナス方向にシフトしてしまう。そのため、酸化物半導体膜の形成後において、脱水化処理(脱水素化処理)を行い酸化物半導体膜から、水素、又は水分を除去して不純物が極力含まれないように高純度化することが好ましい。 When the oxide semiconductor film contains a large amount of hydrogen, part of the hydrogen serves as a donor by bonding with the oxide semiconductor, and an electron which is a carrier is generated. Thus, the threshold voltage of the transistor is shifted in the negative direction. Therefore, after formation of the oxide semiconductor film, dehydration treatment (dehydrogenation treatment) is performed to remove hydrogen or moisture from the oxide semiconductor film and to highly purify the oxide semiconductor film so that impurities are not contained as much as possible. preferable.
なお、酸化物半導体膜への脱水化処理(脱水素化処理)によって、酸化物半導体膜から酸素も同時に減少してしまうことがある。よって、酸化物半導体膜への脱水化処理(脱水素化処理)によって増加してしまった酸素欠損を補填するために酸素を酸化物に加える処理を行うことが好ましい。本明細書等において、酸化物半導体膜に酸素を供給する場合を、加酸素化処理と記す場合がある、または酸化物半導体膜に含まれる酸素を化学量論比的組成よりも多くする場合を過酸素化処理と記す場合がある。 Note that oxygen may also be reduced from the oxide semiconductor film at the same time due to dehydration treatment (dehydrogenation treatment) of the oxide semiconductor film. Therefore, in order to compensate for oxygen vacancies increased by dehydration treatment (dehydrogenation treatment) of the oxide semiconductor film, treatment for adding oxygen to the oxide is preferably performed. In this specification and the like, the case where oxygen is supplied to the oxide semiconductor film may be referred to as an oxygenation treatment, or the case where the amount of oxygen contained in the oxide semiconductor film is greater than the stoichiometric composition is described. It may be referred to as peroxygenation treatment.
このように、酸化物半導体膜は、脱水化処理(脱水素化処理)により、水素または水分が除去され、加酸素化処理により酸素欠損を補填することによって、i型(真性)化またはi型に限りなく近く実質的にi型(真性)である酸化物半導体膜とすることができる。なお、実質的に真性とは、酸化物半導体膜中にドナーに由来するキャリアが極めて少なく(ゼロに近く)、キャリア密度が1×1017/cm3以下、1×1016/cm3以下、1×1015/cm3以下、1×1014/cm3以下、1×1013/cm3以下で、特に好ましくは8×1011/cm3未満、さらに好ましくは1×1011/cm3未満、さらに好ましくは1×1010/cm3未満であり、1×10−9/cm3以上であることをいう。 Thus, the oxide semiconductor film is i-type (intrinsic) or i-type by removing hydrogen or moisture by dehydration treatment (dehydrogenation treatment) and compensating oxygen deficiency by oxygenation treatment. An oxide semiconductor film that is substantially i-type (intrinsic) can be formed as close as possible. Note that substantially intrinsic means that the number of carriers derived from donors in the oxide semiconductor film is very small (near zero), the carrier density is 1 × 10 17 / cm 3 or less, 1 × 10 16 / cm 3 or less, It is 1 × 10 15 / cm 3 or less, 1 × 10 14 / cm 3 or less, 1 × 10 13 / cm 3 or less, particularly preferably 8 × 10 11 / cm 3 or less, more preferably 1 × 10 11 / cm 3 It is less than 1 × 10 10 / cm 3 and preferably 1 × 10 −9 / cm 3 or more.
またこのように、i型又は実質的にi型である酸化物半導体膜を備えるトランジスタは、極めて優れたオフ電流特性を実現できる。例えば、酸化物半導体膜を用いたトランジスタがオフ状態のときのドレイン電流を、室温(25℃程度)にて1×10−18A以下、好ましくは1×10−21A以下、さらに好ましくは1×10−24A以下、または85℃にて1×10−15A以下、好ましくは1×10−18A以下、さらに好ましくは1×10−21A以下とすることができる。なお、トランジスタがオフ状態とは、nチャネル型のトランジスタの場合、ゲート電圧がしきい値電圧よりも十分小さい状態をいう。具体的には、ゲート電圧がしきい値電圧よりも1V以上、2V以上または3V以上小さければ、トランジスタはオフ状態となる。 Further, as described above, the transistor including the i-type or substantially i-type oxide semiconductor film can achieve extremely excellent off-state current characteristics. For example, the drain current when the transistor including the oxide semiconductor film is off is 1 × 10 −18 A or less, preferably 1 × 10 −21 A or less, more preferably 1 at room temperature (approximately 25 ° C.). × 10 -24 a or less, or 1 × 10 -15 a or less at 85 ° C., preferably 1 × 10 -18 a or less, more preferably to less 1 × 10 -21 a. Note that, in the case of an n-channel transistor, the off state of the transistor refers to a state in which the gate voltage is sufficiently smaller than the threshold voltage. Specifically, when the gate voltage is smaller than the threshold voltage by 1 V or more, 2 V or more, or 3 V or more, the transistor is turned off.
以下では、酸化物半導体膜の構造について説明する。 The structure of the oxide semiconductor film is described below.
酸化物半導体膜は、非単結晶酸化物半導体膜と単結晶酸化物半導体膜とに分けられる。または、酸化物半導体は、例えば、結晶性酸化物半導体と非晶質酸化物半導体とに分けられる。非単結晶酸化物半導体膜とは、CAAC−OS(C Axis Aligned Crystalline Oxide Semiconductor)膜、多結晶酸化物半導体膜、微結晶酸化物半導体膜、非晶質酸化物半導体膜などがある。また、結晶性酸化物半導体としては、単結晶酸化物半導体、CAAC−OS、多結晶酸化物半導体、微結晶酸化物半導体などがある。 The oxide semiconductor film can be divided into a non-single-crystal oxide semiconductor film and a single-crystal oxide semiconductor film. Alternatively, an oxide semiconductor can be divided into, for example, a crystalline oxide semiconductor and an amorphous oxide semiconductor. The non-single-crystal oxide semiconductor film includes a CAAC-OS (C Axis Aligned Crystalline Oxide Semiconductor) film, a polycrystalline oxide semiconductor film, a microcrystalline oxide semiconductor film, an amorphous oxide semiconductor film, and the like. In addition, as a crystalline oxide semiconductor, a single crystal oxide semiconductor, a CAAC-OS, a polycrystalline oxide semiconductor, a microcrystalline oxide semiconductor, or the like can be given.
まずは、CAAC−OS膜について説明する。なお、CAAC−OSを、CANC(C−Axis Aligned nanocrystals)を有する酸化物半導体と呼ぶこともできる。 First, a CAAC-OS film is described. Note that the CAAC-OS can also be referred to as an oxide semiconductor having CANC (C-Axis Aligned nanocrystals).
CAAC−OS膜は、c軸配向した複数の結晶部(ペレットともいう。)を有する酸化物半導体膜の一つである。 The CAAC-OS film is one of oxide semiconductor films having a plurality of c-axis-oriented crystal parts (also referred to as pellets).
CAAC−OS膜を透過型電子顕微鏡(TEM:Transmission Electron Microscope)によってCAAC−OSの明視野像と回折パターンとの複合解析像(高分解能TEM像ともいう。)を観察すると、複数のペレットを確認することができる。一方、高分解能TEM像ではペレット同士の境界、即ち結晶粒界(グレインバウンダリーともいう。)を明確に確認することができない。そのため、CAAC−OS膜は、結晶粒界に起因する電子移動度の低下が起こりにくいといえる。 When a composite analysis image (also referred to as a high resolution TEM image) of a bright field image and a diffraction pattern of a CAAC-OS is observed by a transmission electron microscope (TEM) on a CAAC-OS film, a plurality of pellets are confirmed can do. On the other hand, in the high resolution TEM image, the boundaries between the pellets, that is, the grain boundaries (also referred to as grain boundaries) can not be clearly identified. Therefore, it can be said that the CAAC-OS film is unlikely to cause a decrease in electron mobility due to crystal grain boundaries.
CAAC−OS膜を、試料面と概略平行な方向からTEMによって観察(断面TEM観察)すると、結晶部において、金属原子が層状に配列していることを確認できる。金属原子の各層は、CAAC−OS膜の膜を形成する面(被形成面ともいう。)または上面の凹凸を反映した形状であり、CAAC−OS膜の被形成面または上面と平行に配列する。 When the CAAC-OS film is observed by TEM from a direction substantially parallel to the sample surface (cross-sectional TEM observation), it can be confirmed that metal atoms are arranged in layers in the crystal part. Each layer of metal atoms has a shape (also referred to as a formation surface) on which the CAAC-OS film is to be formed (also referred to as a formation surface) or a shape reflecting the unevenness of the top surface, and is arranged parallel to the formation surface or top surface of the CAAC-OS film .
一方、CAAC−OS膜を、試料面と概略垂直な方向からTEMによって観察(平面TEM観察)すると、結晶部において、金属原子が三角形状または六角形状に配列していることを確認できる。しかしながら、異なる結晶部間で、金属原子の配列に規則性は見られない。 On the other hand, when the CAAC-OS film is observed by a TEM in a direction substantially perpendicular to the sample surface (planar TEM observation), it can be confirmed that metal atoms are arranged in a triangular shape or a hexagonal shape in a crystal part. However, there is no regularity in the arrangement of metal atoms between different crystal parts.
図19(a)は、CAAC−OS膜の断面TEM像である。また、図19(b)は、図19(a)をさらに拡大した断面TEM像であり、理解を容易にするために原子配列を強調表示している。 FIG. 19A is a cross-sectional TEM image of the CAAC-OS film. FIG. 19 (b) is a cross-sectional TEM image obtained by further enlarging FIG. 19 (a), and the atomic arrangement is highlighted to facilitate understanding.
図19(c)は、図19(a)のA−O−A’間において、丸で囲んだ領域(直径約4nm)の局所的なフーリエ変換像である。図19(c)より、各領域においてc軸配向性が確認できる。また、A−O間とO−A’間とでは、c軸の向きが異なるため、異なるグレインであることが示唆される。また、A−O間では、c軸の角度が14.3°、16.6°、26.4°のように少しずつ連続的に変化していることがわかる。同様に、O−A’間では、c軸の角度が−18.3°、−17.6°、−15.9°と少しずつ連続的に変化していることがわかる。 FIG. 19C is a local Fourier transform image of a circled area (about 4 nm in diameter) between AO and A ′ in FIG. From FIG. 19 (c), c-axis alignment can be confirmed in each region. In addition, the directions of the c-axis are different between A-O and O-A ', which suggests different grains. In addition, it can be seen that, between A and O, the angle of the c-axis continuously changes little by little, such as 14.3 °, 16.6 °, and 26.4 °. Similarly, it can be seen that the angle of the c-axis continuously changes little by little, such as -18.3 °, -17.6 °, and -15.9 °, between O-A '.
なお、CAAC−OS膜に対し、電子回折を行うと、配向性を示すスポット(輝点)が観測される。例えば、CAAC−OS膜の上面に対し、例えば1nm以上30nm以下の電子線を用いる電子回折(ナノビーム電子回折ともいう。)を行うと、スポットが観測される(図20(A)参照。)。 Note that when electron diffraction is performed on the CAAC-OS film, spots (bright spots) showing orientation are observed. For example, when electron diffraction (also referred to as nanobeam electron diffraction) using an electron beam of, for example, 1 nm to 30 nm is performed on the top surface of the CAAC-OS film, spots are observed (see FIG. 20A).
断面TEM観察および平面TEM観察より、CAAC−OS膜の結晶部は配向性を有していることがわかる。 From the cross-sectional TEM observation and the planar TEM observation, it is found that the crystal part of the CAAC-OS film has orientation.
なお、CAAC−OS膜に含まれるほとんどの結晶部は、一辺が100nm未満の立方体内に収まる大きさである。従って、CAAC−OS膜に含まれる結晶部は、一辺が10nm未満、5nm未満または3nm未満の立方体内に収まる大きさの場合も含まれる。ただし、CAAC−OS膜に含まれる複数の結晶部が連結することで、一つの大きな結晶領域を形成する場合がある。例えば、平面TEM像において、2500nm2以上、5μm2以上または1000μm2以上となる結晶領域が観察される場合がある。 Note that most of the crystal parts included in the CAAC-OS film each fit inside a cube whose one side is less than 100 nm. Therefore, the crystal part included in the CAAC-OS film is also included in the case where the side is smaller than 10 nm, smaller than 5 nm, or smaller than 3 nm. However, a plurality of crystal parts included in the CAAC-OS film may be connected to form one large crystal region. For example, in a planar TEM image, a crystalline region with a size of 2500 nm 2 or more, 5 μm 2 or more, or 1000 μm 2 or more may be observed.
CAAC−OS膜に対し、X線回折(XRD:X−Ray Diffraction)装置を用いて構造解析を行うと、例えばInGaZnO4の結晶を有するCAAC−OS膜のout−of−plane法による解析では、回折角(2θ)が31°近傍にピークが現れる場合がある。このピークは、InGaZnO4の結晶の(009)面に帰属されることから、CAAC−OS膜の結晶がc軸配向性を有し、c軸が被形成面または上面に概略垂直な方向を向いていることが確認できる。 When structural analysis is performed on a CAAC-OS film using an X-ray diffraction (XRD) apparatus, for example, analysis of a CAAC-OS film having an InGaZnO 4 crystal by an out-of-plane method A peak may appear when the diffraction angle (2θ) is around 31 °. Since this peak is attributed to the (009) plane of the InGaZnO 4 crystal, the crystal of the CAAC-OS film has c-axis orientation, and the c-axis points in a direction substantially perpendicular to the formation surface or the top surface. It can be confirmed that
一方、CAAC−OS膜に対し、c軸に概略垂直な方向からX線を入射させるin−plane法による解析では、2θが56°近傍にピークが現れる場合がある。このピークは、InGaZnO4の結晶の(110)面に帰属される。InGaZnO4の単結晶酸化物半導体膜であれば、2θを56°近傍に固定し、試料面の法線ベクトルを軸(φ軸)として試料を回転させながら分析(φスキャン)を行うと、(110)面と等価な結晶面に帰属されるピークが6本観察される。これに対し、CAAC−OS膜の場合は、2θを56°近傍に固定してφスキャンした場合でも、明瞭なピークが現れない。 On the other hand, in the analysis by the in-plane method in which X-rays are incident on the CAAC-OS film in a direction substantially perpendicular to the c-axis, a peak may appear in the vicinity of 56 ° in 2θ. This peak is attributed to the (110) plane of the InGaZnO 4 crystal. In the case of an InGaZnO 4 single crystal oxide semiconductor film, analysis (φ scan) is performed while fixing 2θ at around 56 ° and rotating the sample with the normal vector of the sample surface as the axis (φ axis), Six peaks attributed to crystal planes equivalent to the 110) plane are observed. On the other hand, in the case of the CAAC-OS film, a clear peak does not appear even when φ scan is performed with 2θ fixed at around 56 °.
以上のことから、CAAC−OS膜では、異なる結晶部間ではa軸およびb軸の配向は不規則であるが、c軸配向性を有し、かつc軸が被形成面または上面の法線ベクトルに平行な方向を向いていることがわかる。従って、前述の断面TEM観察で確認された層状に配列した金属原子の各層は、結晶のab面に平行な面である。 From the above, in the CAAC-OS film, the orientation of the a-axis and the b-axis is irregular between different crystal parts, but the c-axis has c-axis orientation and the c-axis is a normal to the formation surface or the top surface It turns out that it is pointing in the direction parallel to the vector. Therefore, each layer of the metal atoms arranged in a layer, which is confirmed by the above-mentioned cross-sectional TEM observation, is a plane parallel to the ab plane of the crystal.
なお、結晶部は、CAAC−OS膜を成膜した際、または加熱処理などの結晶化処理を行った際に形成される。上述したように、結晶のc軸は、CAAC−OS膜の被形成面または上面の法線ベクトルに平行な方向に配向する。従って、例えば、CAAC−OS膜の形状をエッチングなどによって変化させた場合、結晶のc軸がCAAC−OS膜の被形成面または上面の法線ベクトルと平行にならないこともある。 Note that the crystal part is formed when a CAAC-OS film is formed or when crystallization treatment such as heat treatment is performed. As described above, the c-axis of the crystal is oriented in a direction parallel to the normal vector of the formation surface or the top surface of the CAAC-OS film. Therefore, for example, when the shape of the CAAC-OS film is changed by etching or the like, the c-axis of the crystal may not be parallel to the normal vector of the formation surface or the top surface of the CAAC-OS film.
また、CAAC−OS膜中において、c軸配向した結晶部の分布が均一でなくてもよい。例えば、CAAC−OS膜の結晶部が、CAAC−OS膜の上面近傍からの結晶成長によって形成される場合、上面近傍の領域は、被形成面近傍の領域よりもc軸配向した結晶部の割合が高くなることがある。また、不純物の添加されたCAAC−OS膜は、不純物が添加された領域が変質し、部分的にc軸配向した結晶部の割合の異なる領域が形成されることもある。 In the CAAC-OS film, distribution of c-axis aligned crystal parts is not necessarily uniform. For example, in the case where a crystal part of a CAAC-OS film is formed by crystal growth from the vicinity of the top surface of the CAAC-OS film, the ratio of c-axis aligned regions in the region near the top surface is higher than the region near the formation surface Can be high. Further, in the case of the CAAC-OS film to which the impurity is added, the region to which the impurity is added may be altered to form a region in which the ratio of crystal parts in which c-axis alignment is partially different is different.
なお、InGaZnO4の結晶を有するCAAC−OS膜のout−of−plane法による解析では、2θが31°近傍のピークの他に、2θが36°近傍にもピークが現れる場合がある。2θが36°近傍のピークは、CAAC−OS膜中の一部に、c軸配向性を有さない結晶が含まれることを示している。CAAC−OS膜は、2θが31°近傍にピークを示し、2θが36°近傍にピークを示さないことが好ましい。 Note that in the analysis by a out-of-plane method of a CAAC-OS film having an InGaZnO 4 crystal, in addition to the peak at 2θ of around 31 °, the peak may also appear at around 36 ° of 2θ. The peak at 2θ of around 36 ° indicates that a part of the CAAC-OS film contains a crystal having no c-axis alignment. It is preferable that the CAAC-OS film has a peak at 2θ of around 31 ° and no peak at 2θ of around 36 °.
CAAC−OS膜は、不純物濃度の低い酸化物半導体膜である。不純物は、水素、炭素、シリコン、遷移金属元素などの酸化物半導体膜の主成分以外の元素である。特に、シリコンなどの、酸化物半導体膜を構成する金属元素よりも酸素との結合力の強い元素は、酸化物半導体膜から酸素を奪うことで酸化物半導体膜の原子配列を乱し、結晶性を低下させる要因となる。また、鉄やニッケルなどの重金属、アルゴン、二酸化炭素などは、原子半径(または分子半径)が大きいため、酸化物半導体膜内部に含まれると、酸化物半導体膜の原子配列を乱し、結晶性を低下させる要因となる。なお、酸化物半導体膜に含まれる不純物は、キャリアトラップやキャリア発生源となる場合がある。 The CAAC-OS film is an oxide semiconductor film with low impurity concentration. The impurity is an element other than the main components of the oxide semiconductor film such as hydrogen, carbon, silicon, or a transition metal element. In particular, an element such as silicon having a stronger bonding force with oxygen than a metal element constituting the oxide semiconductor film disturbs the atomic arrangement of the oxide semiconductor film by depriving the oxide semiconductor film of oxygen, thereby causing crystallinity Cause a decrease in In addition, heavy metals such as iron and nickel, argon, carbon dioxide, and the like have large atomic radius (or molecular radius), and therefore, if contained within the oxide semiconductor film, the atomic arrangement of the oxide semiconductor film is disturbed and crystallinity Cause a decrease in Note that an impurity contained in the oxide semiconductor film may be a carrier trap or a carrier generation source.
また、CAAC−OS膜は、欠陥準位密度の低い酸化物半導体膜である。例えば、酸化物半導体膜中の酸素欠損は、キャリアトラップとなることや、水素を捕獲することによってキャリア発生源となることがある。 The CAAC-OS film is an oxide semiconductor film with low density of defect states. For example, oxygen vacancies in the oxide semiconductor film may be carrier traps or may be a carrier generation source by capturing hydrogen.
不純物濃度が低く、欠陥準位密度が低い(酸素欠損の少ない)ことを、高純度真性または実質的に高純度真性と呼ぶ。高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体膜は、キャリア発生源が少ないため、キャリア密度を低くすることができる。従って、当該酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、しきい値電圧がマイナスとなる電気特性(ノーマリーオンともいう。)になることが少ない。また、高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体膜は、キャリアトラップが少ない。そのため、当該酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、電気特性の変動が小さく、信頼性の高いトランジスタとなる。なお、酸化物半導体膜のキャリアトラップに捕獲された電荷は、放出するまでに要する時間が長く、あたかも固定電荷のように振る舞うことがある。そのため、不純物濃度が高く、欠陥準位密度が高い酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、電気特性が不安定となる場合がある。 A low impurity concentration and a low density of defect levels (less oxygen vacancies) are referred to as high purity intrinsic or substantially high purity intrinsic. A highly purified intrinsic or substantially highly purified intrinsic oxide semiconductor film can reduce carrier density because there are few carriers. Thus, a transistor including the oxide semiconductor film rarely has negative threshold voltage (also referred to as normally on). In addition, the highly purified intrinsic or substantially highly purified intrinsic oxide semiconductor film has few carrier traps. Thus, the transistor including the oxide semiconductor film has small variation in electrical characteristics and is highly reliable. Note that the charge trapped in the carrier trap in the oxide semiconductor film may take a long time to be released and behave as if it were fixed charge. Therefore, in the transistor including the oxide semiconductor film, which has a high impurity concentration and a high density of defect states, electrical characteristics may be unstable.
また、CAAC−OS膜を用いたトランジスタは、可視光や紫外光の照射による電気特性の変動が小さい。 In addition, a transistor including the CAAC-OS film has less variation in electrical characteristics due to irradiation with visible light or ultraviolet light.
図36(A)に、試料面と略平行な方向から観察したCAAC−OSの断面の高分解能TEM像を示す。高分解能TEM像の観察には、球面収差補正(Spherical Aberration Corrector)機能を用いた。球面収差補正機能を用いた高分解能TEM像を、特にCs補正高分解能TEM像と呼ぶ。Cs補正高分解能TEM像の取得は、例えば、日本電子株式会社製原子分解能分析電子顕微鏡JEM−ARM200Fなどによって行うことができる。 FIG. 36A shows a high-resolution TEM image of a cross section of a CAAC-OS observed from a direction substantially parallel to the sample surface. A spherical aberration correction function was used to observe a high resolution TEM image. A high resolution TEM image using a spherical aberration correction function is particularly called a Cs corrected high resolution TEM image. The Cs-corrected high-resolution TEM image can be obtained, for example, by an atomic resolution analysis electron microscope JEM-ARM200F manufactured by JEOL.
図36(A)の領域(1)を拡大したCs補正高分解能TEM像を図36(B)に示す。図36(B)より、ペレットにおいて、金属原子が層状に配列していることを確認できる。金属原子の各層の配列は、CAAC−OSの膜を形成する面(被形成面ともいう。)または上面の凹凸を反映しており、CAAC−OSの被形成面または上面と平行となる。 A Cs corrected high resolution TEM image obtained by enlarging the region (1) of FIG. 36 (A) is shown in FIG. 36 (B). From FIG. 36 (B), it can be confirmed in the pellet that the metal atoms are arranged in layers. The arrangement of metal atoms in each layer reflects the unevenness of the surface (also referred to as a formation surface) or the top surface of the CAAC-OS film, which is parallel to the formation surface or the top surface of the CAAC-OS.
図36(B)に示すように、CAAC−OSは特徴的な原子配列を有する。図36(C)は、特徴的な原子配列を、補助線で示したものである。図36(B)および図36(C)より、ペレット一つの大きさは1nm以上3nm以下程度であり、ペレットとペレットとの傾きにより生じる隙間の大きさは0.8nm程度であることがわかる。したがって、ペレットを、ナノ結晶(nc:nanocrystal)と呼ぶこともできる。 As shown in FIG. 36B, the CAAC-OS has a characteristic atomic arrangement. FIG. 36C shows a characteristic atomic arrangement by auxiliary lines. From FIG. 36 (B) and FIG. 36 (C), it is understood that the size of one pellet is about 1 nm or more and 3 nm or less, and the size of the gap generated by the inclination of the pellet and the pellet is about 0.8 nm. Therefore, the pellet can also be called nanocrystal (nc: nanocrystal).
ここで、Cs補正高分解能TEM像をもとに、基板5120上のCAAC−OSのペレット5100の配置を模式的に示すと、レンガまたはブロックが積み重なったような構造となる(図36(D)参照。)。図36(C)で観察されたペレットとペレットとの間で傾きが生じている箇所は、図36(D)に示す領域5161に相当する。 Here, the arrangement of pellets 5100 of CAAC-OS on the substrate 5120 is schematically shown based on a Cs-corrected high-resolution TEM image, resulting in a structure in which bricks or blocks are stacked (FIG. 36D). reference.). The portion where inclination occurs between the pellet and the pellet observed in FIG. 36C corresponds to a region 5161 shown in FIG. 36D.
また、図37(A)に、試料面と略垂直な方向から観察したCAAC−OSの平面のCs補正高分解能TEM像を示す。図37(A)の領域(1)、領域(2)および領域(3)を拡大したCs補正高分解能TEM像を、それぞれ図37(B)、図37(C)および図37(D)に示す。図37(B)、図37(C)および図37(D)より、ペレットは、金属原子が三角形状、四角形状または六角形状に配列していることを確認できる。しかしながら、異なるペレット間で、金属原子の配列に規則性は見られない。 FIG. 37A shows a Cs-corrected high-resolution TEM image of a plane of the CAAC-OS observed from the direction substantially perpendicular to the sample surface. 37 (B), 37 (C) and 37 (D) respectively show enlarged Cs-corrected high-resolution TEM images of region (1), region (2) and region (3) of FIG. 37 (A). Show. From FIG. 37 (B), FIG. 37 (C) and FIG. 37 (D), it can be confirmed that in the pellet, metal atoms are arranged in a triangular shape, a square shape or a hexagonal shape. However, there is no regularity in the arrangement of metal atoms between different pellets.
次に、X線回折(XRD:X−Ray Diffraction)によって解析したCAAC−OSについて説明する。例えば、InGaZnO4の結晶を有するCAAC−OSに対し、out−of−plane法による構造解析を行うと、図38(A)に示すように回折角(2θ)が31°近傍にピークが現れる場合がある。このピークは、InGaZnO4の結晶の(009)面に帰属されることから、CAAC−OSの結晶がc軸配向性を有し、c軸が被形成面または上面に略垂直な方向を向いていることが確認できる。 Next, a CAAC-OS analyzed by X-ray diffraction (XRD: X-Ray Diffraction) will be described. For example, when structural analysis by an out-of-plane method is performed on a CAAC-OS having an InGaZnO 4 crystal, a peak appears in the vicinity of 31 ° of the diffraction angle (2θ) as shown in FIG. 38A. There is. Since this peak is attributed to the (009) plane of the InGaZnO 4 crystal, the CAAC-OS crystal has c-axis orientation, and the c-axis points in a direction substantially perpendicular to the formation surface or upper surface Can be confirmed.
なお、CAAC−OSのout−of−plane法による構造解析では、2θが31°近傍のピークの他に、2θが36°近傍にもピークが現れる場合がある。2θが36°近傍のピークは、CAAC−OS中の一部に、c軸配向性を有さない結晶が含まれることを示している。より好ましいCAAC−OSは、out−of−plane法による構造解析では、2θが31°近傍にピークを示し、2θが36°近傍にピークを示さない。 Note that in structural analysis of the CAAC-OS by an out-of-plane method, another peak may appear when 2θ is around 36 °, in addition to the peak at 2θ of around 31 °. The peak at 2θ of around 36 ° indicates that a part of the CAAC-OS contains a crystal having no c-axis alignment. More preferable CAAC-OS shows a peak at 2θ of around 31 ° and no peak at 2θ of around 36 ° in structural analysis by the out-of-plane method.
一方、CAAC−OSに対し、c軸に略垂直な方向からX線を入射させるin−plane法による構造解析を行うと、2θが56°近傍にピークが現れる。このピークは、InGaZnO4の結晶の(110)面に帰属される。CAAC−OSの場合は、2θを56°近傍に固定し、試料面の法線ベクトルを軸(φ軸)として試料を回転させながら分析(φスキャン)を行っても、図38(B)に示すように明瞭なピークは現れない。これに対し、InGaZnO4の単結晶酸化物半導体であれば、2θを56°近傍に固定してφスキャンした場合、図38(C)に示すように(110)面と等価な結晶面に帰属されるピークが6本観察される。したがって、XRDを用いた構造解析から、CAAC−OSは、a軸およびb軸の配向が不規則であることが確認できる。 On the other hand, when structural analysis by an in-plane method in which X-rays are incident on the CAAC-OS in a direction substantially perpendicular to the c-axis, a peak appears at around 56 ° in 2θ. This peak is attributed to the (110) plane of the InGaZnO 4 crystal. In the case of CAAC-OS, even if analysis (φ scan) is performed while rotating the sample with the 2θ fixed at around 56 ° and the normal vector of the sample surface as the axis (φ axis), FIG. No clear peaks appear as shown. On the other hand, in the case of a single crystal oxide semiconductor of InGaZnO 4 , when 2θ is fixed at around 56 ° and φ scan is performed, as shown in FIG. 38C, it belongs to a crystal plane equivalent to the (110) plane. 6 peaks are observed. Therefore, from structural analysis using XRD, it can be confirmed that the CAAC-OS has irregular alignment in the a-axis and b-axis.
次に、電子回折によって解析したCAAC−OSについて説明する。例えば、InGaZnO4の結晶を有するCAAC−OSに対し、試料面に平行にプローブ径が300nmの電子線を入射させると、図39(A)に示すような回折パターン(制限視野透過電子回折パターンともいう。)が現れる場合がある。この回折パターンには、InGaZnO4の結晶の(009)面に起因するスポットが含まれる。したがって、電子回折によっても、CAAC−OSに含まれるペレットがc軸配向性を有し、c軸が被形成面または上面に略垂直な方向を向いていることがわかる。一方、同じ試料に対し、試料面に垂直にプローブ径が300nmの電子線を入射させたときの回折パターンを図39(B)に示す。図39(B)より、リング状の回折パターンが確認される。したがって、電子回折によっても、CAAC−OSに含まれるペレットのa軸およびb軸は配向性を有さないことがわかる。なお、図39(B)における第1リングは、InGaZnO4の結晶の(010)面および(100)面などに起因すると考えられる。また、図39(B)における第2リングは(110)面などに起因すると考えられる。 Next, a CAAC-OS analyzed by electron diffraction will be described. For example, when an electron beam with a probe diameter of 300 nm is incident in parallel to the sample surface with respect to a CAAC-OS having a crystal of InGaZnO 4 , a diffraction pattern as shown in FIG. Say) may appear. The diffraction pattern includes spots originating from the (009) plane of the InGaZnO 4 crystal. Therefore, it is also understood by electron diffraction that the pellets contained in the CAAC-OS have c-axis alignment, and the c-axis points in a direction substantially perpendicular to the formation surface or the top surface. On the other hand, FIG. 39 (B) shows a diffraction pattern when an electron beam with a probe diameter of 300 nm is incident on the same sample in a direction perpendicular to the sample surface. From FIG. 39 (B), a ring-like diffraction pattern is confirmed. Therefore, it is also understood by electron diffraction that the a-axis and b-axis of the pellet contained in the CAAC-OS have no orientation. Note that the first ring in FIG. 39B is considered to be derived from the (010) plane, the (100) plane, and the like of the InGaZnO 4 crystal. The second ring in FIG. 39B is considered to be derived from the (110) plane and the like.
次に、多結晶酸化物半導体膜について説明する。 Next, a polycrystalline oxide semiconductor film is described.
多結晶酸化物半導体膜は、TEMによる観察像で、結晶粒を確認することができる。多結晶酸化物半導体膜に含まれる結晶粒は、例えば、TEMによる観察像で、2nm以上300nm以下、3nm以上100nm以下または5nm以上50nm以下の粒径であることが多い。また、多結晶酸化物半導体膜は、TEMによる観察像で、結晶粒界を確認できる場合がある。 In the polycrystalline oxide semiconductor film, crystal grains can be confirmed by an observation image by TEM. For example, a crystal grain included in the polycrystalline oxide semiconductor film often has a particle diameter of 2 nm to 300 nm, 3 nm to 100 nm, or 5 nm to 50 nm in an observation image by TEM. In addition, in a polycrystalline oxide semiconductor film, crystal grain boundaries may be confirmed in some cases by an observation image by TEM.
多結晶酸化物半導体膜は、複数の結晶粒を有し、当該複数の結晶粒間において結晶の方位が異なっている場合がある。また、多結晶酸化物半導体膜に対し、XRD装置を用いて構造解析を行うと、例えばInGaZnO4の結晶を有する多結晶酸化物半導体膜のout−of−plane法による解析では、2θが31°近傍のピーク、2θが36°近傍のピーク、またはそのほかのピークが現れる場合がある。 The polycrystalline oxide semiconductor film may have a plurality of crystal grains, and the crystal orientation may be different between the plurality of crystal grains. Further, when structural analysis is performed on the polycrystalline oxide semiconductor film using an XRD apparatus, for example, in the analysis of the polycrystalline oxide semiconductor film having an InGaZnO 4 crystal by an out-of-plane method, 2θ is 31 °. A nearby peak, a peak at 2θ of around 36 °, or another peak may appear.
多結晶酸化物半導体膜は、高い結晶性を有するため、高い電子移動度を有する場合がある。従って、多結晶酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、高い電界効果移動度を有する。ただし、多結晶酸化物半導体膜は、結晶粒界に不純物が偏析する場合がある。また、多結晶酸化物半導体膜の結晶粒界は欠陥準位となる。多結晶酸化物半導体膜は、結晶粒界がキャリアトラップやキャリア発生源となる場合があるため、多結晶酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、CAAC−OS膜を用いたトランジスタと比べて、電気特性の変動が大きく、信頼性の低いトランジスタとなる場合がある。 Since a polycrystalline oxide semiconductor film has high crystallinity, it may have high electron mobility. Thus, a transistor including a polycrystalline oxide semiconductor film has high field-effect mobility. However, in the polycrystalline oxide semiconductor film, impurities may be segregated at grain boundaries. In addition, crystal grain boundaries in the polycrystalline oxide semiconductor film become defect states. A crystal grain boundary may be a carrier trap or a carrier generation source in a polycrystalline oxide semiconductor film; therefore, a transistor using a polycrystalline oxide semiconductor film is more electrically than a transistor using a CAAC-OS film. In some cases, the transistor has a large fluctuation in characteristics and low reliability.
次に、微結晶酸化物半導体膜について説明する。 Next, a microcrystalline oxide semiconductor film is described.
微結晶酸化物半導体膜は、TEMによる観察像では、明確に結晶部を確認することができない場合がある。微結晶酸化物半導体膜に含まれる結晶部は、1nm以上100nm以下、または1nm以上10nm以下の大きさであることが多い。特に、1nm以上10nm以下、または1nm以上3nm以下の微結晶であるナノ結晶(nc:nanocrystal)を有する酸化物半導体膜を、nc−OS(nanocrystalline Oxide Semiconductor)膜と呼ぶ。また、nc−OS膜は、例えば、TEMによる観察像では、結晶粒界を明確に確認できない場合がある。なお、ナノ結晶は、CAAC−OSにおけるペレットと起源を同じくする可能性がある。そのため、以下ではnc−OSの結晶部をペレットと呼ぶ場合がある。 In a microcrystalline oxide semiconductor film, in some cases, a crystal part can not be clearly confirmed in an observation image by TEM. The crystal part included in the microcrystalline oxide semiconductor film often has a size of 1 nm to 100 nm, or 1 nm to 10 nm. In particular, an oxide semiconductor film having a nanocrystal (nc: nanocrystal) which is a fine crystal of 1 nm to 10 nm, or 1 nm to 3 nm is referred to as an nc-OS (nanocrystalline oxide semiconductor) film. In addition, in the case of an nc-OS film, for example, an observation image by TEM may not clearly confirm the grain boundaries. Note that nanocrystals may have the same origin as pellets in CAAC-OS. Therefore, the crystal part of nc-OS may be called a pellet below.
nc−OS膜は、微小な領域(例えば、1nm以上10nm以下の領域、特に1nm以上3nm以下の領域)において原子配列に周期性を有する。また、nc−OS膜は、異なる結晶部間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、膜全体で配向性が見られない。従って、nc−OS膜は、分析方法によっては、非晶質酸化物半導体膜と区別が付かない場合がある。例えば、nc−OS膜に対し、結晶部(ペレット)よりも大きい径のX線を用いるXRD装置を用いて構造解析を行うと、out−of−plane法による解析では、結晶面を示すピークが検出されない。また、nc−OS膜に対し、ペレットよりも大きいプローブ径(例えば50nm以上)の電子線を用いる電子回折(制限視野電子回折ともいう。)を行うと、ハローパターンのような回折パターンが観測される。一方、nc−OS膜に対し、ペレットの大きさと近いかペレットより小さいプローブ径の電子線を用いるナノビーム電子回折を行うと、スポットが観測される。また、nc−OS膜に対しナノビーム電子回折を行うと、円を描くように(リング状に)輝度の高い領域が観測される場合がある。さらに、リング状の領域内に複数のスポットが観測される場合がある(図20(B)参照。)。 The nc-OS film has periodicity in atomic arrangement in a minute region (for example, a region of 1 nm to 10 nm, particularly a region of 1 nm to 3 nm). In addition, in the nc-OS film, regularity is not observed in crystal orientation between different crystal parts. Therefore, no orientation can be seen in the entire film. Therefore, the nc-OS film may not be distinguished from the amorphous oxide semiconductor film depending on the analysis method. For example, when structural analysis is performed on an nc-OS film using an XRD apparatus using an X-ray having a diameter larger than that of a crystal part (pellet), a peak showing a crystal plane is an analysis by an out-of-plane method. Not detected. In addition, when electron diffraction (also referred to as limited field electron diffraction) using an electron beam with a probe diameter (for example, 50 nm or more) larger than that of the pellet is performed on the nc-OS film, a diffraction pattern such as a halo pattern is observed. Ru. On the other hand, spots are observed when nanobeam electron diffraction is performed on the nc-OS film using an electron beam with a probe diameter close to or smaller than the pellet size. In addition, when nanobeam electron diffraction is performed on the nc-OS film, a region with high luminance (in a ring shape) may be observed in a circular manner (in a ring shape). Furthermore, a plurality of spots may be observed in the ring-shaped region (see FIG. 20B).
このように、ペレット(ナノ結晶)間では結晶方位が規則性を有さないことから、nc−OSを、RANC(Random Aligned nanocrystals)を有する酸化物半導体、またはNANC(Non−Aligned nanocrystals)を有する酸化物半導体と呼ぶこともできる。 Thus, nc-OS is an oxide semiconductor having RANC (Random Aligned nanocrystals) or NANC (Non-Aligned nanocrystals) because crystal orientation does not have regularity among pellets (nanocrystals). It can also be called an oxide semiconductor.
nc−OS膜は、非晶質酸化物半導体膜よりも規則性の高い酸化物半導体膜である。そのため、nc−OS膜は、非晶質酸化物半導体膜よりも欠陥準位密度が低くなる。ただし、nc−OS膜は、異なる結晶部間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、nc−OS膜は、CAAC−OS膜と比べて欠陥準位密度が高くなる。 The nc-OS film is an oxide semiconductor film that has higher regularity than an amorphous oxide semiconductor film. Therefore, the nc-OS film has a lower density of defect states than an amorphous oxide semiconductor film. However, the nc-OS film does not have regularity in crystal orientation between different crystal parts. Therefore, the nc-OS film has a higher density of defect states than the CAAC-OS film.
従って、nc−OS膜は、CAAC−OS膜と比べて、キャリア密度が高くなる場合がある。キャリア密度が高い酸化物半導体膜は、電子移動度が高くなる場合がある。従って、nc−OS膜を用いたトランジスタは、高い電界効果移動度を有する場合がある。また、nc−OS膜は、CAAC−OS膜と比べて、欠陥準位密度が高いため、キャリアトラップが多くなる場合がある。従って、nc−OS膜を用いたトランジスタは、CAAC−OS膜を用いたトランジスタと比べて、電気特性の変動が大きく、信頼性の低いトランジスタとなる。ただし、nc−OS膜は、比較的不純物が多く含まれていても形成することができるため、CAAC−OS膜よりも形成が容易となり、用途によっては好適に用いることができる場合がある。そのため、nc−OS膜を用いたトランジスタを有する半導体装置は、生産性高く作製することができる場合がある。 Therefore, the carrier density of the nc-OS film may be higher than that of the CAAC-OS film. In the case of an oxide semiconductor film with high carrier density, electron mobility may be high. Thus, a transistor using an nc-OS film may have high field-effect mobility. In addition, since the nc-OS film has a higher density of defect states than the CAAC-OS film, carrier traps may be increased. Therefore, a transistor using an nc-OS film has a large variation in electrical characteristics and low reliability as compared to a transistor using a CAAC-OS film. However, since the nc-OS film can be formed even if it contains a relatively large amount of impurities, it can be more easily formed than the CAAC-OS film, and may be suitably used depending on the application. Therefore, a semiconductor device including a transistor using an nc-OS film may be manufactured with high productivity.
次に、非晶質酸化物半導体膜について説明する。 Next, an amorphous oxide semiconductor film is described.
非晶質酸化物半導体膜は、膜中における原子配列が不規則であり、結晶部を有さない酸化物半導体膜である。石英のような無定形状態を有する酸化物半導体膜が一例である。 The amorphous oxide semiconductor film is an oxide semiconductor film in which the atomic arrangement in the film is irregular and does not have a crystal part. An oxide semiconductor film having an amorphous state such as quartz is an example.
非晶質酸化物半導体膜は、TEMによる観察像で、結晶部を確認することができない。 In the case of an amorphous oxide semiconductor film, a crystal part can not be confirmed by an observation image by TEM.
非晶質酸化物半導体膜に対し、XRD装置を用いた構造解析を行うと、out−of−plane法による解析では、結晶面を示すピークが検出されない。また、非晶質酸化物半導体膜に対し、電子回折を行うと、ハローパターンが観測される。また、非晶質酸化物半導体膜に対し、ナノビーム電子回折を行うと、スポットが観測されず、ハローパターンが観測される。 When structural analysis is performed on an amorphous oxide semiconductor film using an XRD apparatus, a peak indicating a crystal plane is not detected in analysis by the out-of-plane method. In addition, when electron diffraction is performed on the amorphous oxide semiconductor film, a halo pattern is observed. In addition, when nanobeam electron diffraction is performed on the amorphous oxide semiconductor film, no spot is observed and a halo pattern is observed.
非晶質酸化物半導体膜は、水素などの不純物を高い濃度で含む酸化物半導体膜である。また、非晶質酸化物半導体膜は、欠陥準位密度の高い酸化物半導体膜である。 The amorphous oxide semiconductor film is an oxide semiconductor film containing an impurity such as hydrogen at a high concentration. The amorphous oxide semiconductor film is an oxide semiconductor film with a high density of defect states.
不純物濃度が高く、欠陥準位密度が高い酸化物半導体膜は、キャリアトラップやキャリア発生源が多い酸化物半導体膜である。 An oxide semiconductor film which has a high impurity concentration and a high density of defect states is an oxide semiconductor film which has many carrier traps and a plurality of carrier generation sources.
従って、非晶質酸化物半導体膜は、nc−OS膜と比べて、さらにキャリア密度が高くなる場合がある。そのため、非晶質酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、ノーマリーオンの電気特性になりやすい。従って、ノーマリーオンの電気特性が求められるトランジスタに好適に用いることができる場合がある。非晶質酸化物半導体膜は、欠陥準位密度が高いため、キャリアトラップが多くなる場合がある。従って、非晶質酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、CAAC−OS膜やnc−OS膜を用いたトランジスタと比べて、電気特性の変動が大きく、信頼性の低いトランジスタとなる。 Therefore, the carrier density of the amorphous oxide semiconductor film may be higher than that of the nc-OS film. Therefore, a transistor including an amorphous oxide semiconductor film is likely to be normally on. Therefore, it may be suitably used for a transistor for which normally-on electrical characteristics are required. Since the amorphous oxide semiconductor film has a high density of defect states, carrier traps may be increased. Accordingly, a transistor including an amorphous oxide semiconductor film has large variation in electrical characteristics and low reliability as compared to a transistor including a CAAC-OS film or an nc-OS film.
なお、酸化物半導体膜は、nc−OS膜と非晶質酸化物半導体膜との間の物性を示す構造を有する場合がある。そのような構造を有する酸化物半導体膜を、特に非晶質ライク酸化物半導体(a−like OS:amorphous−like Oxide Semiconductor)膜と呼ぶ。 Note that the oxide semiconductor film may have a structure which shows physical properties between the nc-OS film and the amorphous oxide semiconductor film. An oxide semiconductor film having such a structure is particularly referred to as an amorphous-like oxide semiconductor (a-like OS) film.
a−like OS膜は、高分解能TEM像において鬆(ボイドともいう。)が観察される場合がある。また、高分解能TEM像において、明確に結晶部を確認することのできる領域と、結晶部を確認することのできない領域と、を有する。a−like OS膜は、TEMによる観察程度の微量な電子照射によって、結晶化が起こり、結晶部の成長が見られる場合がある。一方、良質なnc−OS膜であれば、TEMによる観察程度の微量な電子照射による結晶化はほとんど見られない。 In the a-like OS film, wrinkles (also referred to as voids) may be observed in a high resolution TEM image. Further, the high resolution TEM image has a region where the crystal part can be clearly confirmed and a region where the crystal part can not be confirmed. The a-like OS film may undergo crystallization due to a slight amount of electron irradiation as observed by TEM, and growth of a crystal part may be observed. On the other hand, in the case of a high-quality nc-OS film, crystallization by a slight amount of electron irradiation for observation by TEM is hardly observed.
なお、a−like OS膜およびnc−OS膜の結晶部の大きさの計測は、高分解能TEM像を用いて行うことができる。例えば、InGaZnO4の結晶は層状構造を有し、In−O層の間に、Ga−Zn−O層を2層有する。InGaZnO4の結晶の単位格子は、In−O層を3層有し、またGa−Zn−O層を6層有する、計9層がc軸方向に層状に重なった構造を有する。よって、これらの近接する層同士の間隔は、(009)面の格子面間隔(d値ともいう。)と同程度であり、結晶構造解析からその値は0.29nmと求められている。そのため、高分解能TEM像における格子縞に着目し、格子縞の間隔が0.28nm以上0.30nm以下である箇所においては、それぞれの格子縞がInGaZnO4の結晶のa−b面に対応する。 Note that the size of the crystal part of the a-like OS film and the nc-OS film can be measured using a high resolution TEM image. For example, the crystal of InGaZnO 4 has a layered structure, and has two Ga—Zn—O layers between the In—O layers. The unit cell of the InGaZnO 4 crystal has a structure in which nine layers of three In—O layers and six Ga—Zn—O layers are layered in the c-axis direction. Therefore, the distance between these adjacent layers is approximately the same as the lattice spacing (also referred to as d value) in the (009) plane, and the value is determined to be 0.29 nm from crystal structure analysis. Therefore, paying attention to the lattice in the high resolution TEM image, each lattice corresponds to the a-b plane of the InGaZnO 4 crystal in a portion where the lattice spacing is 0.28 nm or more and 0.30 nm or less.
鬆を有するため、a−like OSは、不安定な構造である。以下では、a−like OSが、CAAC−OSおよびnc−OSと比べて不安定な構造であることを示すため、電子照射による構造の変化を示す。 Because it has wrinkles, a-like OS is an unstable structure. In the following, a change in structure due to electron irradiation is shown to indicate that the a-like OS has an unstable structure compared to the CAAC-OS and the nc-OS.
電子照射を行う試料として、a−like OS(試料Aと表記する。)、nc−OS(試料Bと表記する。)およびCAAC−OS(試料Cと表記する。)を準備する。いずれの試料もIn−Ga−Zn酸化物である。 As samples to be subjected to electron irradiation, a-like OS (denoted as sample A), nc-OS (denoted as sample B), and CAAC-OS (denoted as sample C) are prepared. All samples are In-Ga-Zn oxides.
まず、各試料の高分解能断面TEM像を取得する。高分解能断面TEM像により、各試料は、いずれも結晶部を有することがわかる。 First, a high resolution cross-sectional TEM image of each sample is acquired. The high-resolution cross-sectional TEM image shows that each sample has a crystal part.
なお、どの部分を一つの結晶部と見なすかの判定は、以下のように行えばよい。例えば、InGaZnO4の結晶の単位格子は、In−O層を3層有し、またGa−Zn−O層を6層有する、計9層がc軸方向に層状に重なった構造を有することが知られている。これらの近接する層同士の間隔は、(009)面の格子面間隔(d値ともいう。)と同程度であり、結晶構造解析からその値は0.29nmと求められている。したがって、格子縞の間隔が0.28nm以上0.30nm以下である箇所を、InGaZnO4の結晶部と見なすことができる。なお、格子縞は、InGaZnO4の結晶のa−b面に対応する。 Note that which part is regarded as one crystal part may be determined as follows. For example, the unit cell of the InGaZnO 4 crystal has a structure in which a total of nine layers are layered in the c-axis direction, having three In—O layers and six Ga—Zn—O layers. Are known. The distance between these adjacent layers is approximately the same as the lattice spacing (also referred to as d value) in the (009) plane, and the value is determined to be 0.29 nm from crystal structure analysis. Therefore, a portion where the lattice spacing is 0.28 nm or more and 0.30 nm or less can be regarded as the InGaZnO 4 crystal part. The checkered pattern corresponds to the a-b plane of the InGaZnO 4 crystal.
図40は、各試料の結晶部(22箇所から45箇所)の平均の大きさを調査した例である。ただし、上述した格子縞の長さを結晶部の大きさとしている。図40より、a−like OSは、電子の累積照射量に応じて結晶部が大きくなっていくことがわかる。具体的には、図40中に(1)で示すように、TEMによる観察初期においては1.2nm程度の大きさだった結晶部(初期核ともいう。)が、累積照射量が4.2×108e−/nm2においては2.6nm程度の大きさまで成長していることがわかる。一方、nc−OSおよびCAAC−OSは、電子照射開始時から電子の累積照射量が4.2×108e−/nm2までの範囲で、結晶部の大きさに変化が見られないことがわかる。具体的には、図40中の(2)および(3)で示すように、電子の累積照射量によらず、nc−OSおよびCAAC−OSの結晶部の大きさは、それぞれ1.4nm程度および2.1nm程度であることがわかる。 FIG. 40 shows an example in which the average size of crystal parts (at 22 points to 45 points) of each sample was investigated. However, the length of the checkered pattern described above is the size of the crystal part. From FIG. 40, it can be seen that in the a-like OS, the crystal part becomes larger according to the cumulative irradiation dose of electrons. Specifically, as shown by (1) in FIG. 40, a crystal part (also referred to as an initial nucleus) having a size of about 1.2 nm at the initial stage of observation by TEM has a cumulative irradiation amount of 4.2. It can be seen that the crystal is grown to a size of about 2.6 nm at 10 8 e − / nm 2 . On the other hand, in the nc-OS and CAAC-OS, no change in the size of the crystal part is observed in the range of the cumulative irradiation dose of electrons from the start of the electron irradiation to 4.2 × 10 8 e − / nm 2 I understand. Specifically, as shown by (2) and (3) in FIG. 40, the size of the crystal part of nc-OS and CAAC-OS is about 1.4 nm regardless of the cumulative irradiation dose of electrons. And about 2.1 nm.
このように、a−like OSは、電子照射によって結晶部の成長が見られる場合がある。一方、nc−OSおよびCAAC−OSは、電子照射による結晶部の成長がほとんど見られないことがわかる。即ち、a−like OSは、nc−OSおよびCAAC−OSと比べて、不安定な構造であることがわかる。 Thus, in the a-like OS, crystal growth may be observed due to electron irradiation. On the other hand, it can be seen that in the nc-OS and the CAAC-OS, almost no growth of crystal parts due to electron irradiation is observed. That is, it can be seen that the a-like OS has an unstable structure as compared to the nc-OS and the CAAC-OS.
また、鬆を有するため、a−like OSは、nc−OSおよびCAAC−OSと比べて密度の低い構造である。具体的には、a−like OSの密度は、同じ組成の単結晶の密度の78.6%以上92.3%未満となる。また、nc−OSの密度およびCAAC−OSの密度は、同じ組成の単結晶の密度の92.3%以上100%未満となる。単結晶の密度の78%未満となる酸化物半導体は、成膜すること自体が困難である。 In addition, because of having wrinkles, the a-like OS has a lower density than the nc-OS and the CAAC-OS. Specifically, the density of a-like OS is 78.6% or more and less than 92.3% of the density of a single crystal of the same composition. Further, the density of nc-OS and the density of CAAC-OS are 92.3% to less than 100% of the density of a single crystal of the same composition. It is difficult to form an oxide semiconductor which is less than 78% of the density of a single crystal.
また、酸化物半導体膜は、構造ごとに密度が異なる場合がある。例えば、ある酸化物半導体膜の組成がわかれば、該組成と同じ組成における単結晶の密度と比較することにより、その酸化物半導体膜の構造を推定することができる。例えば、単結晶の密度に対し、a−like OS膜の密度は78.6%以上92.3%未満となる。また、例えば、単結晶の密度に対し、nc−OS膜の密度およびCAAC−OS膜の密度は92.3%以上100%未満となる。なお、単結晶の密度に対し密度が78%未満となる酸化物半導体膜は、成膜すること自体が困難である。 In addition, the density of the oxide semiconductor film may be different depending on the structure. For example, when the composition of a certain oxide semiconductor film is known, the structure of the oxide semiconductor film can be estimated by comparison with the density of single crystals in the same composition as the composition. For example, the density of the a-like OS film is 78.6% to less than 92.3% with respect to the density of single crystals. Further, for example, the density of the nc-OS film and the density of the CAAC-OS film are greater than or equal to 92.3% and less than 100% with respect to the density of single crystals. Note that it is difficult to form an oxide semiconductor film whose density is less than 78% of the density of single crystals.
上記について、具体例を用いて説明する。例えば、In:Ga:Zn=1:1:1[原子数比]を満たす酸化物半導体膜において、菱面体晶構造を有する単結晶InGaZnO4の密度は6.357g/cm3となる。よって、例えば、In:Ga:Zn=1:1:1[原子数比]を満たす酸化物半導体膜において、a−like OS膜の密度は5.0g/cm3以上5.9g/cm3未満となる。また、例えば、In:Ga:Zn=1:1:1[原子数比]を満たす酸化物半導体膜において、nc−OS膜の密度およびCAAC−OS膜の密度は5.9g/cm3以上6.3g/cm3未満となる。 The above will be described using a specific example. For example, in the oxide semiconductor film which satisfies In: Ga: Zn = 1: 1: 1 [atomic ratio], the density of single crystal InGaZnO 4 having a rhombohedral crystal structure is 6.357 g / cm 3 . Thus, for example, In: Ga: Zn = 1 : 1: 1 in the oxide semiconductor film which satisfies the atomic ratio, the density of a-like OS film 5.0 g / cm 3 or more 5.9 g / cm less than 3 It becomes. For example, in the case of an oxide semiconductor film with an atomic ratio of In: Ga: Zn = 1: 1: 1, the density of the nc-OS film and the density of the CAAC-OS film are 5.9 g / cm 3 or more. Less than 3 g / cm 3 .
なお、同じ組成の単結晶が存在しない場合がある。その場合、任意の割合で組成の異なる単結晶を組み合わせることにより、所望の組成の単結晶に相当する密度を算出することができる。所望の組成の単結晶の密度は、組成の異なる単結晶を組み合わせる割合に対して、加重平均を用いて算出すればよい。ただし、密度は、可能な限り少ない種類の単結晶を組み合わせて算出することが好ましい。 In addition, the single crystal of the same composition may not exist. In that case, the density corresponding to the single crystal of a desired composition can be calculated by combining single crystals having different compositions at an arbitrary ratio. The density of single crystals having a desired composition may be calculated using a weighted average with respect to the ratio of combining single crystals having different compositions. However, it is preferable to calculate the density by combining as few types of single crystals as possible.
次に、単結晶酸化物半導体膜について説明する。 Next, a single crystal oxide semiconductor film is described.
単結晶酸化物半導体膜は、不純物濃度が低く、欠陥準位密度が低い(酸素欠損が少ない)酸化物半導体膜である。そのため、キャリア密度を低くすることができる。従って、単結晶酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、ノーマリーオンの電気特性になることが少ない。また、単結晶酸化物半導体膜は、不純物濃度が低く、欠陥準位密度が低いため、キャリアトラップが少なくなる場合がある。従って、単結晶酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、電気特性の変動が小さく、信頼性の高いトランジスタとなる。 The single crystal oxide semiconductor film is an oxide semiconductor film which has a low impurity concentration and a low density of defect states (there are few oxygen vacancies). Therefore, the carrier density can be lowered. Therefore, a transistor including a single crystal oxide semiconductor film rarely has an electrical characteristic of normally on. Further, since the single crystal oxide semiconductor film has a low impurity concentration and a low density of defect states, carrier traps may be reduced in some cases. Therefore, a transistor including a single crystal oxide semiconductor film has small variation in electrical characteristics and is highly reliable.
なお、酸化物半導体膜は、欠陥が少ないと密度が高くなる。また、酸化物半導体膜は、結晶性が高いと密度が高くなる。また、酸化物半導体膜は、水素などの不純物濃度が低いと密度が高くなる。単結晶酸化物半導体膜は、CAAC−OS膜よりも密度が高い。また、CAAC−OS膜は、微結晶酸化物半導体膜よりも密度が高い。また、多結晶酸化物半導体膜は、微結晶酸化物半導体膜よりも密度が高い。また、微結晶酸化物半導体膜は、非晶質酸化物半導体膜よりも密度が高い。 Note that the density of the oxide semiconductor film increases as the number of defects decreases. Further, the oxide semiconductor film has a high density when the crystallinity is high. Further, the density of the oxide semiconductor film is increased when the concentration of impurities such as hydrogen is low. The single crystal oxide semiconductor film has a higher density than the CAAC-OS film. In addition, the CAAC-OS film has a higher density than the microcrystalline oxide semiconductor film. In addition, the polycrystalline oxide semiconductor film has a higher density than the microcrystalline oxide semiconductor film. Further, the microcrystalline oxide semiconductor film has a higher density than the amorphous oxide semiconductor film.
なお、酸化物半導体膜は、例えば、非晶質酸化物半導体膜、微結晶酸化物半導体膜、CAAC−OS膜のうち、二種以上を有する積層膜であってもよい。 Note that the oxide semiconductor film may be, for example, a stacked film including two or more of an amorphous oxide semiconductor film, a microcrystalline oxide semiconductor film, and a CAAC-OS film.
<成膜モデル>
以下では、CAAC−OSおよびnc−OSの成膜モデルの一例について説明する。
<Film formation model>
Hereinafter, an example of a deposition model of a CAAC-OS and an nc-OS will be described.
図41(A)は、スパッタリング法によりCAAC−OSが成膜される様子を示した成膜室内の模式図である。 FIG. 41A is a schematic view of a deposition chamber, which shows a CAAC-OS film formed by a sputtering method.
ターゲット5130は、バッキングプレートに接着されている。バッキングプレートを介してターゲット5130と向かい合う位置には、複数のマグネットが配置される。該複数のマグネットによって磁場が生じている。マグネットの磁場を利用して成膜速度を高めるスパッタリング法は、マグネトロンスパッタリング法と呼ばれる。 The target 5130 is bonded to the backing plate. A plurality of magnets are disposed at positions facing the target 5130 via the backing plate. A magnetic field is generated by the plurality of magnets. The sputtering method for increasing the deposition rate using the magnetic field of the magnet is called magnetron sputtering.
基板5120は、ターゲット5130と向かい合うように配置しており、その距離d(ターゲット−基板間距離(T−S間距離)ともいう。)は0.01m以上1m以下、好ましくは0.02m以上0.5m以下とする。成膜室内は、ほとんどが成膜ガス(例えば、酸素、アルゴン、または酸素を5体積%以上の割合で含む混合ガス)で満たされ、0.01Pa以上100Pa以下、好ましくは0.1Pa以上10Pa以下に制御される。ここで、ターゲット5130に一定以上の電圧を印加することで、放電が始まり、プラズマが確認される。なお、ターゲット5130の近傍には磁場によって、高密度プラズマ領域が形成される。高密度プラズマ領域では、成膜ガスがイオン化することで、イオン5101が生じる。イオン5101は、例えば、酸素の陽イオン(O+)やアルゴンの陽イオン(Ar+)などである。 The substrate 5120 is disposed to face the target 5130, and the distance d (also referred to as target-substrate distance (distance between T and S)) is 0.01 m to 1 m, preferably 0.02 m to 0 .5 m or less. Most of the deposition chamber is filled with a deposition gas (for example, oxygen, argon, or a mixed gas containing 5% by volume or more of oxygen), and is 0.01 Pa or more and 100 Pa or less, preferably 0.1 Pa or more and 10 Pa or less Controlled by Here, discharge is started by applying a predetermined voltage or more to the target 5130, and a plasma is confirmed. A high density plasma region is formed in the vicinity of the target 5130 by the magnetic field. In the high density plasma region, the film formation gas is ionized to generate ions 5101. The ion 5101 is, for example, a cation of oxygen (O + ) or a cation of argon (Ar + ).
ここで、ターゲット5130は、複数の結晶粒を有する多結晶構造を有し、いずれかの結晶粒には劈開面が含まれる。図42(A)に、一例として、ターゲット5130に含まれるInGaZnO4の結晶の構造を示す。なお、図42(A)は、b軸に平行な方向からInGaZnO4の結晶を観察した場合の構造である。図42(A)より、近接する二つのGa−Zn−O層において、それぞれの層における酸素原子同士が近距離に配置されていることがわかる。そして、酸素原子が負の電荷を有することにより、近接する二つのGa−Zn−O層の間には斥力が生じる。その結果、InGaZnO4の結晶は、近接する二つのGa−Zn−O層の間に劈開面を有する。 Here, the target 5130 has a polycrystalline structure having a plurality of crystal grains, and one of the crystal grains includes a cleavage plane. FIG. 42A shows, as an example, a structure of an InGaZnO 4 crystal included in the target 5130. FIG. 42A shows a structure when the InGaZnO 4 crystal is observed from the direction parallel to the b-axis. From FIG. 42 (A), it can be seen that oxygen atoms in each of the two adjacent Ga—Zn—O layers are arranged in a short distance. And, since the oxygen atom has a negative charge, a repulsive force is generated between two adjacent Ga-Zn-O layers. As a result, the InGaZnO 4 crystal has a cleavage plane between two adjacent Ga—Zn—O layers.
高密度プラズマ領域で生じたイオン5101は、電界によってターゲット5130側に加速され、やがてターゲット5130と衝突する。このとき、劈開面から平板状またはペレット状のスパッタ粒子であるペレット5100aおよびペレット5100bが剥離し、叩き出される。なお、ペレット5100aおよびペレット5100bは、イオン5101の衝突の衝撃によって、構造に歪みが生じる場合がある。 The ions 5101 generated in the high density plasma region are accelerated to the target 5130 side by the electric field and eventually collide with the target 5130. At this time, pellets 5100 a and pellets 5100 b which are flat plate-like or pellet-like sputtered particles are peeled off from the cleavage plane and struck out. The pellets 5100 a and 5100 b may be distorted in structure due to the impact of the collision of the ions 5101.
ペレット5100aは、三角形、例えば正三角形の平面を有する平板状またはペレット状のスパッタ粒子である。また、ペレット5100bは、六角形、例えば正六角形の平面を有する平板状またはペレット状のスパッタ粒子である。なお、ペレット5100aおよびペレット5100bなどの平板状またはペレット状のスパッタ粒子を総称してペレット5100と呼ぶ。ペレット5100の平面の形状は、三角形、六角形に限定されない、例えば、三角形が複数個合わさった形状となる場合がある。例えば、三角形(例えば、正三角形)が2個合わさった四角形(例えば、ひし形)となる場合もある。 The pellet 5100a is a flat or pellet-like sputtered particle having a triangle, for example, a plane of an equilateral triangle. The pellet 5100 b is a flat plate-like or pellet-like sputtered particle having a hexagonal, for example, a regular hexagonal plane. Note that flat-plate-like or pellet-like sputtered particles such as pellets 5100 a and pellets 5100 b are collectively referred to as pellets 5100. The shape of the plane of the pellet 5100 is not limited to a triangle or a hexagon, for example, it may be a shape in which a plurality of triangles are combined. For example, it may be a quadrangle (e.g., a rhombus) in which two triangles (e.g., an equilateral triangle) are combined.
ペレット5100は、成膜ガスの種類などに応じて厚さが決定する。理由は後述するが、ペレット5100の厚さは、均一にすることが好ましい。また、スパッタ粒子は厚みのないペレット状である方が、厚みのあるサイコロ状であるよりも好ましい。例えば、ペレット5100は、厚さを0.4nm以上1nm以下、好ましくは0.6nm以上0.8nm以下とする。また、例えば、ペレット5100は、幅を1nm以上3nm以下、好ましくは1.2nm以上2.5nm以下とする。ペレット5100は、上述の図40中の(1)で説明した初期核に相当する。例えば、In−Ga−Zn酸化物を有するターゲット5130にイオン5101を衝突させると、図42(B)に示すように、Ga−Zn−O層、In−O層およびGa−Zn−O層の3層を有するペレット5100が剥離する。図42(C)に、剥離したペレット5100をc軸に平行な方向から観察した構造を示す。ペレット5100は、二つのGa−Zn−O層(パン)と、In−O層(具)と、を有するナノサイズのサンドイッチ構造と呼ぶこともできる。 The thickness of the pellet 5100 is determined according to the type of deposition gas and the like. Although the reason will be described later, the thickness of the pellet 5100 is preferably uniform. In addition, it is preferable that the sputtered particles be in the form of a thin pellet rather than in the form of a thick die. For example, the pellet 5100 has a thickness of 0.4 nm or more and 1 nm or less, preferably 0.6 nm or more and 0.8 nm or less. Further, for example, the pellet 5100 has a width of 1 nm to 3 nm, preferably 1.2 nm to 2.5 nm. The pellet 5100 corresponds to the initial nucleus described in (1) in FIG. 40 described above. For example, when an ion 5101 is made to collide with a target 5130 having an In—Ga—Zn oxide, as shown in FIG. 42B, the Ga—Zn—O layer, the In—O layer, and the Ga—Zn—O layer The pellet 5100 having three layers peels off. FIG. 42C shows a structure in which the peeled pellet 5100 is observed from the direction parallel to the c-axis. The pellet 5100 can also be referred to as a nano-sized sandwich structure having two Ga-Zn-O layers (pans) and an In-O layer (instrument).
ペレット5100は、プラズマを通過する際に、側面が負または正に帯電する場合がある。ペレット5100は、例えば、側面に位置する酸素原子が負に帯電する可能性がある。側面が同じ極性の電荷を有することにより、電荷同士の反発が起こり、平板状またはペレット状の形状を維持することが可能となる。なお、CAAC−OSが、In−Ga−Zn酸化物である場合、インジウム原子と結合した酸素原子が負に帯電する可能性がある。または、インジウム原子、ガリウム原子または亜鉛原子と結合した酸素原子が負に帯電する可能性がある。また、ペレット5100は、プラズマを通過する際に、プラズマ中のインジウム原子、ガリウム原子、亜鉛原子および酸素原子などと結合することで成長する場合がある。上述の図40中の(2)と(1)の大きさの違いが、プラズマ中での成長分に相当する。ここで、基板5120が室温程度である場合、基板5120上におけるペレット5100の成長が起こりにくいためnc−OSとなる(図41(B)参照。)。室温程度で成膜できることから、基板5120が大面積である場合でもnc−OSの成膜が可能である。なお、ペレット5100をプラズマ中で成長させるためには、スパッタリング法における成膜電力を高くすることが有効である。成膜電力を高くすることで、ペレット5100の構造を安定にすることができる。 The pellet 5100 may be negatively or positively charged on its side when passing through the plasma. The pellet 5100 may, for example, be negatively charged with oxygen atoms located on the side. When the side surfaces have charges of the same polarity, repulsion between the charges occurs and it becomes possible to maintain a flat or pellet shape. Note that in the case where the CAAC-OS is an In—Ga—Zn oxide, an oxygen atom bonded to an indium atom may be negatively charged. Alternatively, an oxygen atom bonded to an indium atom, a gallium atom, or a zinc atom may be negatively charged. In addition, the pellet 5100 may grow by being bonded to an indium atom, a gallium atom, a zinc atom, an oxygen atom, or the like in plasma when passing through the plasma. The difference between the sizes of (2) and (1) in FIG. 40 described above corresponds to the growth in plasma. Here, when the substrate 5120 is at about room temperature, growth of the pellet 5100 on the substrate 5120 is difficult to occur, and thus nc-OS is obtained (see FIG. 41B). Since deposition can be performed at around room temperature, deposition of nc-OS is possible even when the substrate 5120 has a large area. Note that in order to grow the pellet 5100 in plasma, it is effective to increase deposition power in the sputtering method. By increasing the deposition power, the structure of the pellet 5100 can be stabilized.
図41(A)および図41(B)に示すように、例えば、ペレット5100は、プラズマ中を凧のように飛翔し、ひらひらと基板5120上まで舞い上がっていく。ペレット5100は電荷を帯びているため、ほかのペレット5100が既に堆積している領域が近づくと、斥力が生じる。ここで、基板5120の上面では、基板5120の上面に平行な向きの磁場(水平磁場ともいう。)が生じている。また、基板5120およびターゲット5130間には、電位差が与えられるため、基板5120からターゲット5130に向かう方向に電流が流れる。したがって、ペレット5100は、基板5120の上面において、磁場および電流の作用によって、力(ローレンツ力)を受ける。このことは、フレミングの左手の法則によって理解できる。 As shown in FIGS. 41 (A) and 41 (B), for example, the pellet 5100 flies in the plasma like a scoop and flutters up onto the substrate 5120. Since the pellet 5100 is charged, repulsion occurs when the area where other pellets 5100 have already been deposited approaches. Here, on the top surface of the substrate 5120, a magnetic field (also referred to as a horizontal magnetic field) parallel to the top surface of the substrate 5120 is generated. Further, since a potential difference is given between the substrate 5120 and the target 5130, a current flows in a direction from the substrate 5120 toward the target 5130. Therefore, the pellet 5100 receives force (Lorentz force) on the upper surface of the substrate 5120 by the action of the magnetic field and the current. This can be understood by Fleming's left-hand rule.
ペレット5100は、原子一つと比べると質量が大きい。そのため、基板5120の上面を移動するためには何らかの力を外部から印加することが重要となる。その力の一つが磁場および電流の作用で生じる力である可能性がある。なお、ペレット5100に、基板5120の上面を移動するために十分な力を与えるには、基板5120の上面において、基板5120の上面に平行な向きの磁場が10G以上、好ましくは20G以上、さらに好ましくは30G以上、より好ましくは50G以上となる領域を設けるとよい。または、基板5120の上面において、基板5120の上面に平行な向きの磁場が、基板5120の上面に垂直な向きの磁場の1.5倍以上、好ましくは2倍以上、さらに好ましくは3倍以上、より好ましくは5倍以上となる領域を設けるとよい。 The pellet 5100 has a large mass compared to one atom. Therefore, in order to move the upper surface of the substrate 5120, it is important to apply some kind of force from the outside. One of the forces may be the force generated by the action of the magnetic field and the current. Note that in order to give the pellet 5100 sufficient force to move the upper surface of the substrate 5120, the magnetic field parallel to the upper surface of the substrate 5120 on the upper surface of the substrate 5120 is 10 G or more, preferably 20 G or more, more preferably It is preferable to provide a region of 30 G or more, more preferably 50 G or more. Alternatively, on the upper surface of the substrate 5120, the magnetic field in the direction parallel to the upper surface of the substrate 5120 is 1.5 times or more, preferably 2 times or more, more preferably 3 times or more the magnetic field in the direction perpendicular to the upper surface of the substrate 5120. It is preferable to provide a region which is more preferably five times or more.
このとき、マグネットと基板5120とが相対的に移動すること、または回転することによって、基板5120の上面における水平磁場の向きは変化し続ける。したがって、基板5120の上面において、ペレット5100は、様々な方向から力を受け、様々な方向へ移動することができる。 At this time, the orientation of the horizontal magnetic field on the upper surface of the substrate 5120 continues to change due to relative movement or rotation of the magnet and the substrate 5120. Thus, on the top surface of the substrate 5120, the pellets 5100 can receive force from various directions and move in various directions.
また、図41(A)に示すように基板5120が加熱されている場合、ペレット5100と基板5120との間で摩擦などによる抵抗が小さい状態となっている。その結果、ペレット5100は、基板5120の上面を滑空するように移動する。ペレット5100の移動は、平板面を基板5120に向けた状態で起こる。その後、既に堆積しているほかのペレット5100の側面まで到達すると、側面同士が結合する。このとき、ペレット5100の側面にある酸素原子が脱離する。脱離した酸素原子によって、CAAC−OS中の酸素欠損が埋まる場合があるため、欠陥準位密度の低いCAAC−OSとなる。なお、基板5120の上面の温度は、例えば、100℃以上500℃未満、150℃以上450℃未満、または170℃以上400℃未満とすればよい。したがって、基板5120が大面積である場合でもCAAC−OSの成膜は可能である。 When the substrate 5120 is heated as shown in FIG. 41A, the resistance due to friction or the like is small between the pellet 5100 and the substrate 5120. As a result, the pellet 5100 moves to glide on the top surface of the substrate 5120. The movement of the pellet 5100 occurs with the flat surface facing the substrate 5120. After that, when the side surfaces of the other pellets 5100 already deposited are reached, the side surfaces are bonded to each other. At this time, oxygen atoms at the side of the pellet 5100 are released. Since oxygen vacancies in the CAAC-OS may be filled with the released oxygen atom, the CAAC-OS with a low density of defect states is obtained. Note that the temperature of the top surface of the substrate 5120 may be, for example, 100 ° C. or more and less than 500 ° C., 150 ° C. or more and less than 450 ° C., or 170 ° C. or more and less than 400 ° C. Therefore, deposition of a CAAC-OS is possible even when the substrate 5120 has a large area.
また、ペレット5100は、基板5120上で加熱されることにより、原子が再配列し、イオン5101の衝突で生じた構造の歪みが緩和される。歪みの緩和されたペレット5100は、ほとんど単結晶となる。ペレット5100がほとんど単結晶となることにより、ペレット5100同士が結合した後に加熱されたとしても、ペレット5100自体の伸縮はほとんど起こり得ない。したがって、ペレット5100間の隙間が広がることで結晶粒界などの欠陥を形成し、クレバス化することがない。 In addition, the pellet 5100 is heated on the substrate 5120 to rearrange atoms, and the distortion of the structure caused by the collision of the ions 5101 is alleviated. The strain-relieved pellet 5100 is almost single crystal. Since the pellets 5100 are almost single crystals, expansion and contraction of the pellets 5100 itself can hardly occur even if the pellets 5100 are combined and then heated. Therefore, a defect such as a grain boundary is formed by widening the gap between the pellets 5100, and the crevice formation does not occur.
また、CAAC−OSは、単結晶酸化物半導体が一枚板のようになっているのではなく、ペレット5100(ナノ結晶)の集合体がレンガまたはブロックが積み重なったような配列をしている。また、ペレット5100同士の間には結晶粒界を有さない。そのため、成膜時の加熱、成膜後の加熱または曲げなどで、CAAC−OSに縮みなどの変形が生じた場合でも、局部応力を緩和する、または歪みを逃がすことが可能である。したがって、可とう性を有する半導体装置に用いることに適した構造である。なお、nc−OSは、ペレット5100(ナノ結晶)が無秩序に積み重なったような配列となる。 In addition, in the CAAC-OS, a single crystal oxide semiconductor is not formed like a single plate, but an array of pellets 5100 (nanocrystals) is arranged as if bricks or blocks are stacked. In addition, there is no grain boundary between the pellets 5100. Therefore, even when deformation such as contraction occurs in the CAAC-OS by heating during film formation, heating or bending after film formation, or the like, local stress can be relieved or strain can be released. Therefore, the structure is suitable for use in a flexible semiconductor device. Note that nc-OS has an arrangement in which pellets 5100 (nanocrystals) are randomly stacked.
ターゲット5130をイオン5101でスパッタした際に、ペレット5100だけでなく、酸化亜鉛などが剥離する場合がある。酸化亜鉛はペレット5100よりも軽量であるため、先に基板5120の上面に到達する。そして、0.1nm以上10nm以下、0.2nm以上5nm以下、または0.5nm以上2nm以下の酸化亜鉛層5102を形成する。図43に断面模式図を示す。 When the target 5130 is sputtered with the ions 5101, not only the pellet 5100 but also zinc oxide or the like may be peeled off. Since zinc oxide is lighter than the pellet 5100, it first reaches the top surface of the substrate 5120. Then, a zinc oxide layer 5102 having a thickness of 0.1 nm to 10 nm, 0.2 nm to 5 nm, or 0.5 nm to 2 nm is formed. FIG. 43 shows a schematic cross-sectional view.
図43(A)に示すように、酸化亜鉛層5102上にはペレット5105aと、ペレット5105bと、が堆積する。ここで、ペレット5105aとペレット5105bとは、互いに側面が接するように配置している。また、ペレット5105cは、ペレット5105b上に堆積した後、ペレット5105b上を滑るように移動する。また、ペレット5105aの別の側面において、酸化亜鉛とともにターゲットから剥離した複数の粒子5103が、基板5120からの加熱により結晶化し、領域5105a1を形成する。なお、複数の粒子5103は、酸素、亜鉛、インジウムおよびガリウムなどを含む可能性がある。 As shown in FIG. 43 (A), pellets 5105 a and pellets 5105 b are deposited on the zinc oxide layer 5102. Here, the pellet 5105 a and the pellet 5105 b are disposed such that the side surfaces are in contact with each other. In addition, the pellet 5105 c deposits on the pellet 5105 b and then slides on the pellet 5105 b. In addition, on another side surface of the pellet 5105 a, a plurality of particles 5103 separated from the target together with zinc oxide are crystallized by heating from the substrate 5120 to form a region 5105 a 1. Note that the plurality of particles 5103 may contain oxygen, zinc, indium, gallium, and the like.
そして、図43(B)に示すように、領域5105a1は、ペレット5105aと一体化し、ペレット5105a2となる。また、ペレット5105cは、その側面がペレット5105bの別の側面と接するように配置する。 Then, as shown in FIG. 43B, the region 5105a1 is integrated with the pellet 5105a to form a pellet 5105a2. In addition, the pellet 5105 c is disposed so that the side surface thereof is in contact with another side surface of the pellet 5105 b.
次に、図43(C)に示すように、さらにペレット5105dがペレット5105a2上およびペレット5105b上に堆積した後、ペレット5105a2上およびペレット5105b上を滑るように移動する。また、ペレット5105cの別の側面に向けて、さらにペレット5105eが酸化亜鉛層5102上を滑るように移動する。 Next, as shown in FIG. 43C, the pellet 5105d is further deposited on the pellet 5105a2 and the pellet 5105b, and then moved so as to slide on the pellet 5105a2 and the pellet 5105b. Also, toward the other side of the pellet 5105c, the pellet 5105e further slides on the zinc oxide layer 5102.
そして、図43(D)に示すように、ペレット5105dは、その側面がペレット5105a2の側面と接するように配置する。また、ペレット5105eは、その側面がペレット5105cの別の側面と接するように配置する。また、ペレット5105dの別の側面において、酸化亜鉛とともにターゲット5130から剥離した複数の粒子5103が基板5120からの加熱により結晶化し、領域5105d1を形成する。 Then, as shown in FIG. 43D, the pellet 5105 d is disposed such that the side surface thereof is in contact with the side surface of the pellet 5105 a 2. In addition, the pellet 5105 e is disposed such that the side surface of the pellet 5105 e is in contact with another side surface of the pellet 5105 c. In addition, in another side surface of the pellet 5105 d, a plurality of particles 5103 separated from the target 5130 together with zinc oxide are crystallized by heating from the substrate 5120 to form a region 5105 d 1.
以上のように、堆積したペレット同士が接するように配置し、ペレットの側面において成長が起こることで、基板5120上にCAAC−OSが形成される。したがって、CAAC−OSは、nc−OSよりも一つ一つのペレットが大きくなる。上述の図40中の(3)と(2)の大きさの違いが、堆積後の成長分に相当する。 As described above, the deposited pellets are arranged to be in contact with each other, and growth occurs on the side surfaces of the pellets, whereby a CAAC-OS is formed over the substrate 5120. Therefore, CAAC-OS has larger pellets than nc-OS. The difference in size between (3) and (2) in FIG. 40 described above corresponds to the growth after deposition.
また、ペレット同士の隙間が極めて小さくなることで、一つの大きなペレットが形成される場合がある。一つの大きなペレットは、単結晶構造を有する。例えば、ペレットの大きさが、上面から見て10nm以上200nm以下、15nm以上100nm以下、または20nm以上50nm以下となる場合がある。このとき、微細なトランジスタに用いる酸化物半導体において、チャネル形成領域が一つの大きなペレットに収まる場合がある。即ち、単結晶構造を有する領域をチャネル形成領域として用いることができる。また、ペレットが大きくなることで、単結晶構造を有する領域をトランジスタのチャネル形成領域、ソース領域およびドレイン領域として用いることができる場合がある。 In addition, when the gap between the pellets is extremely small, one large pellet may be formed. One large pellet has a single crystal structure. For example, the size of the pellet may be 10 nm to 200 nm, 15 nm to 100 nm, or 20 nm to 50 nm as viewed from the top. At this time, in an oxide semiconductor used for a minute transistor, a channel formation region may be contained in one large pellet. That is, a region having a single crystal structure can be used as a channel formation region. In addition, when the pellet is enlarged, a region having a single crystal structure may be used as a channel formation region, a source region, and a drain region of the transistor in some cases.
このように、トランジスタのチャネル形成領域などが、単結晶構造を有する領域に形成されることによって、トランジスタの周波数特性を高くすることができる場合がある。 As described above, when the channel formation region of the transistor or the like is formed in the region having a single crystal structure, the frequency characteristics of the transistor can be increased in some cases.
以上のようなモデルにより、ペレット5100が基板5120上に堆積していくと考えられる。被形成面が結晶構造を有さない場合においても、CAAC−OSの成膜が可能であることから、エピタキシャル成長とは異なる成長機構であることがわかる。また、CAAC−OSは、レーザ結晶化が不要であり、大面積のガラス基板などであっても均一な成膜が可能である。例えば、基板5120の上面(被形成面)の構造が非晶質構造(例えば非晶質酸化シリコン)であっても、CAAC−OSを成膜することは可能である。 It is considered that the pellet 5100 is deposited on the substrate 5120 according to the model as described above. Even in the case where the formation surface does not have a crystal structure, deposition of a CAAC-OS is possible, which indicates that the growth mechanism is different from epitaxial growth. In addition, CAAC-OS does not require laser crystallization, and uniform film formation is possible even with a large-area glass substrate or the like. For example, even when the structure of the top surface (the formation surface) of the substrate 5120 is an amorphous structure (for example, amorphous silicon oxide), CAAC-OS can be deposited.
また、CAAC−OSは、被形成面である基板5120の上面に凹凸がある場合でも、その形状に沿ってペレット5100が配列することがわかる。例えば、基板5120の上面が原子レベルで平坦な場合、ペレット5100はa−b面と平行な平面である平板面を下に向けて並置する。ペレット5100の厚さが均一である場合、厚さが均一で平坦、かつ高い結晶性を有する層が形成される。そして、当該層がn段(nは自然数。)積み重なることで、CAAC−OSを得ることができる。 In addition, even in the case where the top surface of the substrate 5120 which is the formation surface of the CAAC-OS has unevenness, it can be seen that the pellets 5100 are arrayed along the shape. For example, in the case where the top surface of the substrate 5120 is flat at the atomic level, the pellets 5100 are juxtaposed with a flat surface parallel to the ab plane facing downward. When the thickness of the pellet 5100 is uniform, a layer having uniform thickness, flatness, and high crystallinity is formed. Then, CAAC-OS can be obtained by stacking n layers (n is a natural number) of the layers.
一方、基板5120の上面が凹凸を有する場合でも、CAAC−OSは、ペレット5100が凹凸に沿って並置した層がn段(nは自然数。)積み重なった構造となる。基板5120が凹凸を有するため、CAAC−OSは、ペレット5100間に隙間が生じやすい場合がある。ただし、この場合でも、ペレット5100間で分子間力が働き、凹凸があってもペレット間の隙間はなるべく小さくなるように配列する。したがって、凹凸があっても高い結晶性を有するCAAC−OSとすることができる。 On the other hand, even in the case where the top surface of the substrate 5120 has unevenness, the CAAC-OS has a structure in which n layers (n is a natural number) in which pellets 5100 are juxtaposed along the unevenness are stacked. In the case of the CAAC-OS, a gap may be easily generated between the pellets 5100 because the substrate 5120 has unevenness. However, even in this case, an intermolecular force works between the pellets 5100, and even if there is unevenness, the gaps between the pellets are arranged as small as possible. Therefore, the CAAC-OS can have high crystallinity even with unevenness.
このようなモデルによってCAAC−OSが成膜されるため、スパッタ粒子が厚みのないペレット状である方が好ましい。なお、スパッタ粒子が厚みのあるサイコロ状である場合、基板5120上に向ける面が一定とならず、厚さや結晶の配向を均一にできない場合がある。 Since a CAAC-OS is formed into a film by such a model, it is preferable that the sputtered particles be in the form of pellets having a small thickness. In the case where the sputtered particles are in the form of a dice having a large thickness, the surface to be directed onto the substrate 5120 may not be constant, and the thickness and the orientation of crystals may not be uniform.
以上に示した成膜モデルにより、非晶質構造を有する被形成面上であっても、高い結晶性を有するCAAC−OSを得ることができる。 According to the film formation model described above, a CAAC-OS having high crystallinity can be obtained even on a formation surface having an amorphous structure.
酸化物半導体膜が複数の構造を有する場合、ナノビーム電子回折を用いることで構造解析が可能となる場合がある。 In the case where the oxide semiconductor film has a plurality of structures, structural analysis may be possible by using nanobeam electron diffraction.
図20(C)に、電子銃室610と、電子銃室610の下の光学系612と、光学系612の下の試料室614と、試料室614の下の光学系616と、光学系616の下の観察室620と、観察室620に設置されたカメラ618と、観察室620の下のフィルム室622と、を有する透過電子回折測定装置を示す。カメラ618は、観察室620内部に向けて設置される。なお、フィルム室622を有さなくても構わない。 In FIG. 20C, an electron gun chamber 610, an optical system 612 under the electron gun chamber 610, a sample chamber 614 under the optical system 612, an optical system 616 under the sample chamber 614, and an optical system 616. The transmission electron diffraction measurement apparatus is shown to have a lower observation room 620, a camera 618 installed in the observation room 620, and a film room 622 below the observation room 620. The camera 618 is installed toward the inside of the observation room 620. Note that the film chamber 622 may not be provided.
また、図20(D)に、図20(C)で示した透過電子回折測定装置内部の構造を示す。透過電子回折測定装置内部では、電子銃室610に設置された電子銃から放出された電子が、光学系612を介して試料室614に配置された物質628に照射される。物質628を通過した電子は、光学系616を介して観察室620内部に設置された蛍光板632に入射する。蛍光板632では、入射した電子の強度に応じたパターンが現れることで透過電子回折パターンを測定することができる。 Further, FIG. 20 (D) shows the internal structure of the transmission electron diffraction measurement device shown in FIG. 20 (C). Inside the transmission electron diffraction measurement apparatus, electrons emitted from the electron gun installed in the electron gun chamber 610 are irradiated to the substance 628 disposed in the sample chamber 614 via the optical system 612. Electrons having passed through the substance 628 enter a fluorescent plate 632 disposed inside the observation chamber 620 via the optical system 616. In the fluorescent plate 632, a transmission electron diffraction pattern can be measured by the appearance of a pattern corresponding to the intensity of the incident electron.
カメラ618は、蛍光板632を向いて設置されており、蛍光板632に現れたパターンを撮影することが可能である。カメラ618のレンズの中央、および蛍光板632の中央を通る直線と、蛍光板632の上面と、の為す角度は、例えば、15°以上80°以下、30°以上75°以下、または45°以上70°以下とする。該角度が小さいほど、カメラ618で撮影される透過電子回折パターンは歪みが大きくなる。ただし、あらかじめ該角度がわかっていれば、得られた透過電子回折パターンの歪みを補正することも可能である。なお、カメラ618をフィルム室622に設置しても構わない場合がある。例えば、カメラ618をフィルム室622に、電子624の入射方向と対向するように設置してもよい。この場合、蛍光板632の裏面から歪みの少ない透過電子回折パターンを撮影することができる。 The camera 618 is installed facing the fluorescent plate 632 and can capture a pattern appearing on the fluorescent plate 632. The angle between the center of the lens of the camera 618 and the straight line passing through the center of the fluorescent plate 632 and the upper surface of the fluorescent plate 632 is, for example, 15 ° to 80 °, 30 ° to 75 °, or 45 ° to 70 °. It is assumed that The smaller the angle, the larger the distortion of the transmitted electron diffraction pattern captured by the camera 618. However, if the angle is known in advance, it is also possible to correct distortion of the obtained transmission electron diffraction pattern. The camera 618 may be installed in the film chamber 622 in some cases. For example, the camera 618 may be installed in the film chamber 622 so as to face the incident direction of the electrons 624. In this case, a transmission electron diffraction pattern with less distortion can be photographed from the back surface of the fluorescent plate 632.
試料室614には、試料である物質628を固定するためのホルダが設置されている。ホルダは、物質628を通過する電子を透過するような構造をしている。ホルダは、例えば、物質628をX軸、Y軸、Z軸などに移動させる機能を有していてもよい。ホルダの移動機能は、例えば、1nm以上10nm以下、5nm以上50nm以下、10nm以上100nm以下、50nm以上500nm以下、100nm以上1μm以下などの範囲で移動させる精度を有すればよい。これらの範囲は、物質628の構造によって最適な範囲を設定すればよい。 The sample chamber 614 is provided with a holder for fixing a substance 628 which is a sample. The holder is structured to transmit electrons passing through the substance 628. The holder may have, for example, a function of moving the substance 628 to the X axis, the Y axis, the Z axis, or the like. The moving function of the holder may have an accuracy of moving in a range of, for example, 1 nm to 10 nm, 5 nm to 50 nm, 10 nm to 100 nm, 50 nm to 500 nm, 100 nm to 1 μm or the like. These ranges may be set as optimum depending on the structure of the substance 628.
次に、上述した透過電子回折測定装置を用いて、物質の透過電子回折パターンを測定する方法について説明する。 Next, a method of measuring a transmission electron diffraction pattern of a substance using the above-described transmission electron diffraction measurement apparatus will be described.
例えば、図20(D)に示すように物質におけるナノビームである電子624の照射位置を変化させる(スキャンする)ことで、物質の構造が変化していく様子を確認することができる。このとき、物質628がCAAC−OS膜であれば、図20(A)に示したような回折パターンが観測される。または、物質628がnc−OS膜であれば、図20(B)に示したような回折パターンが観測される。 For example, as shown in FIG. 20D, by changing (scanning) the irradiation position of the electron 624 which is a nano beam in the substance, it is possible to confirm that the structure of the substance is changing. At this time, when the substance 628 is a CAAC-OS film, a diffraction pattern as shown in FIG. 20A is observed. Alternatively, when the substance 628 is an nc-OS film, a diffraction pattern as shown in FIG. 20B is observed.
ところで、物質628がCAAC−OS膜であったとしても、部分的にnc−OS膜などと同様の回折パターンが観測される場合がある。したがって、CAAC−OS膜の良否は、一定の範囲におけるCAAC−OS膜の回折パターンが観測される領域の割合(CAAC化率ともいう。)で表すことができる場合がある。例えば、良質なCAAC−OS膜であれば、CAAC化率は、50%以上、好ましくは80%以上、さらに好ましくは90%以上、より好ましくは95%以上となる。なお、CAAC−OS膜と異なる回折パターンが観測される領域の割合を非CAAC化率と表記する。 By the way, even when the substance 628 is a CAAC-OS film, a diffraction pattern similar to that of an nc-OS film or the like may be partially observed. Therefore, the quality of the CAAC-OS film may be expressed by the ratio of a region where the diffraction pattern of the CAAC-OS film is observed in a certain range (also referred to as a CAAC conversion ratio). For example, in the case of a high-quality CAAC-OS film, the CAAC conversion rate is 50% or more, preferably 80% or more, more preferably 90% or more, and more preferably 95% or more. Note that the ratio of a region where a diffraction pattern different from that of the CAAC-OS film is observed is referred to as a non-CAAC conversion ratio.
一例として、成膜直後(as−sputteredと表記。)、または酸素を含む雰囲気における450℃加熱処理後のCAAC−OS膜を有する各試料の上面に対し、スキャンしながら透過電子回折パターンを取得した。ここでは、5nm/秒の速度で60秒間スキャンしながら回折パターンを観測し、観測された回折パターンを0.5秒ごとに静止画に変換することで、CAAC化率を導出した。なお、電子線としては、プローブ径が1nmのナノビーム電子線を用いた。なお、同様の測定は6試料に対して行った。そしてCAAC化率の算出には、6試料における平均値を用いた。 As an example, transmission electron diffraction patterns were obtained while scanning the upper surface of each sample having a CAAC-OS film immediately after deposition (denoted as as-sputtered) or after heating at 450 ° C. in an atmosphere containing oxygen. . Here, the CAAC conversion ratio was derived by observing the diffraction pattern while scanning at a speed of 5 nm / sec for 60 seconds and converting the observed diffraction pattern to a still image every 0.5 seconds. As the electron beam, a nanobeam electron beam with a probe diameter of 1 nm was used. The same measurement was performed on six samples. And the average value in six samples was used for calculation of a CAAC conversion rate.
各試料におけるCAAC化率を図21(A)に示す。成膜直後のCAAC−OS膜のCAAC化率は75.7%(非CAAC化率は24.3%)であった。また、450℃加熱処理後のCAAC−OS膜のCAAC化率は85.3%(非CAAC化率は14.7%)であった。成膜直後と比べて、450℃加熱処理後のCAAC化率が高いことがわかる。即ち、高い温度(例えば400℃以上)における加熱処理によって、非CAAC化率が低くなる(CAAC化率が高くなる)ことがわかる。また、500℃未満の加熱処理においても高いCAAC化率を有するCAAC−OS膜が得られることがわかる。 The CAAC conversion rate in each sample is shown in FIG. The CAAC conversion rate of the CAAC-OS film immediately after film formation was 75.7% (the non-CAAC conversion rate was 24.3%). In addition, the CAAC conversion rate of the CAAC-OS film after the heat treatment at 450 ° C. was 85.3% (the non-CAAC conversion rate was 14.7%). It can be seen that the CAAC conversion rate after the heat treatment at 450 ° C. is higher than that immediately after the film formation. That is, it is found that the heat treatment at a high temperature (eg, 400 ° C. or higher) lowers the non-CAAC conversion rate (increases the CAAC conversion rate). In addition, it can be seen that a CAAC-OS film having a high CAAC conversion rate can be obtained even with heat treatment at less than 500 ° C.
ここで、CAAC−OS膜と異なる回折パターンのほとんどはnc−OS膜と同様の回折パターンであった。また、測定領域において非晶質酸化物半導体膜は、確認することができなかった。したがって、加熱処理によって、nc−OS膜と同様の構造を有する領域が、隣接する領域の構造の影響を受けて再配列し、CAAC化していることが示唆される。 Here, most of the diffraction patterns different from the CAAC-OS film were diffraction patterns similar to the nc-OS film. In addition, the amorphous oxide semiconductor film could not be confirmed in the measurement region. Therefore, it is suggested that the heat treatment causes a region having a structure similar to that of the nc-OS film to be rearranged and CAAC-ized under the influence of the structure of the adjacent region.
図21(B)および図21(C)は、成膜直後および450℃加熱処理後のCAAC−OS膜の平面TEM像である。図21(B)と図21(C)とを比較することにより、450℃加熱処理後のCAAC−OS膜は、膜質がより均質であることがわかる。即ち、高い温度における加熱処理によって、CAAC−OS膜の膜質が向上することがわかる。 21B and 21C are planar TEM images of the CAAC-OS film immediately after film formation and after heat treatment at 450 ° C. FIG. By comparing FIG. 21B and FIG. 21C, it is found that the quality of the CAAC-OS film after the heat treatment at 450 ° C. is more homogeneous. That is, it is found that the heat treatment at a high temperature improves the film quality of the CAAC-OS film.
このような測定方法を用いれば、複数の構造を有する酸化物半導体膜の構造解析が可能となる場合がある。 With such a measurement method, structural analysis of an oxide semiconductor film having a plurality of structures may be possible.
CAAC−OS膜は、例えば以下の方法により形成することができる。 The CAAC-OS film can be formed, for example, by the following method.
CAAC−OS膜は、例えば、多結晶である酸化物半導体スパッタリング用ターゲットを用い、スパッタリング法によって成膜する。スパッタ法としては、RFスパッタ法、DCスパッタ法、ACスパッタ法等を用いることができる。また、酸化物半導体膜の膜厚の分布、膜組成の分布、又は結晶性の分布の均一性を向上させるには、RFスパッタ法よりもDCスパッタ法またはACスパッタ法を用いた方が好ましい。 The CAAC-OS film is formed, for example, by sputtering using a polycrystalline oxide semiconductor sputtering target. As a sputtering method, an RF sputtering method, a DC sputtering method, an AC sputtering method, or the like can be used. Further, in order to improve the uniformity of the film thickness distribution, the film composition distribution, or the crystallinity distribution of the oxide semiconductor film, it is more preferable to use the DC sputtering method or the AC sputtering method than the RF sputtering method.
成膜時の基板温度を高めることで、基板到達後にスパッタリング粒子のマイグレーションが起こる。具体的には、基板温度を100℃以上740℃以下、好ましくは200℃以上500℃以下として成膜する。成膜時の基板温度を高めることで、スパッタリング粒子が基板に到達した場合、基板上でマイグレーションが起こり、スパッタリング粒子の平らな面が基板に付着する。このとき、スパッタリング粒子が正に帯電することで、スパッタリング粒子同士が反発しながら基板に付着するため、スパッタリング粒子が偏って不均一に重なることがなく、厚さの均一なCAAC−OS膜を成膜することができる。 By raising the substrate temperature at the time of film formation, migration of sputtering particles occurs after reaching the substrate. Specifically, the film is formed at a substrate temperature of 100 ° C. to 740 ° C., preferably 200 ° C. to 500 ° C. By raising the substrate temperature at the time of film formation, when the sputtered particles reach the substrate, migration occurs on the substrate and the flat surface of the sputtered particles adheres to the substrate. At this time, since the sputtered particles are positively charged, the sputtered particles adhere to each other while repelling each other, so that the sputtered particles are not unevenly overlapped and a CAAC-OS film having a uniform thickness is formed. It can be membrane.
成膜時の不純物混入を低減することで、不純物によって結晶状態が崩れることを抑制できる。例えば、成膜室内に存在する不純物濃度(水素、水、二酸化炭素及び窒素など)を低減すればよい。また、成膜ガス中の不純物濃度を低減すればよい。具体的には、露点が−80℃以下、好ましくは−100℃以下である成膜ガスを用いる。 By reducing the mixing of impurities at the time of film formation, it is possible to suppress that the crystal state is broken by the impurities. For example, the concentration of impurities (such as hydrogen, water, carbon dioxide, and nitrogen) in the film formation chamber may be reduced. Further, the concentration of impurities in the deposition gas may be reduced. Specifically, a deposition gas whose dew point is lower than or equal to -80.degree. C., preferably lower than or equal to -100.degree. C. is used.
また、成膜ガス中の酸素割合を高め、電力を最適化することで成膜時のプラズマダメージを軽減すると好ましい。成膜ガス中の酸素割合は、30体積%以上、好ましくは100体積%とする。 Further, it is preferable to reduce plasma damage at the time of film formation by increasing the proportion of oxygen in the film formation gas and optimizing the power. The proportion of oxygen in the deposition gas is 30% by volume or more, preferably 100% by volume.
または、CAAC−OS膜は、以下の方法により形成する。 Alternatively, the CAAC-OS film is formed by the following method.
まず、第1の酸化物半導体膜を1nm以上10nm未満の厚さで成膜する。第1の酸化物半導体膜はスパッタリング法を用いて成膜する。具体的には、基板温度を100℃以上500℃以下、好ましくは150℃以上450℃以下とし、成膜ガス中の酸素割合を30体積%以上、好ましくは100体積%として成膜する。 First, a first oxide semiconductor film is formed to a thickness of greater than or equal to 1 nm and less than 10 nm. The first oxide semiconductor film is formed by sputtering. Specifically, the substrate temperature is set to 100 ° C. to 500 ° C., preferably 150 ° C. to 450 ° C., and the film formation gas is formed with an oxygen ratio of 30 vol% or more, preferably 100 vol%.
次に、加熱処理を行い、第1の酸化物半導体膜を結晶性の高い第1のCAAC−OS膜とする。加熱処理の温度は、350℃以上740℃以下、好ましくは450℃以上650℃以下とする。また、加熱処理の時間は1分以上24時間以下、好ましくは6分以上4時間以下とする。また、加熱処理は、不活性雰囲気または酸化性雰囲気で行えばよい。好ましくは、不活性雰囲気で加熱処理を行った後、酸化性雰囲気で加熱処理を行う。不活性雰囲気での加熱処理により、第1の酸化物半導体膜の不純物濃度を短時間で低減することができる。一方、不活性雰囲気での加熱処理により第1の酸化物半導体膜に酸素欠損が生成されることがある。その場合、酸化性雰囲気での加熱処理によって該酸素欠損を低減することができる。なお、加熱処理は1000Pa以下、100Pa以下、10Pa以下または1Pa以下の減圧下で行ってもよい。減圧下では、第1の酸化物半導体膜の不純物濃度をさらに短時間で低減することができる。 Next, heat treatment is performed to form the first oxide semiconductor film as a first CAAC-OS film with high crystallinity. The temperature of the heat treatment is 350 ° C to 740 ° C, preferably 450 ° C to 650 ° C. The heat treatment time is 1 minute to 24 hours, preferably 6 minutes to 4 hours. The heat treatment may be performed in an inert atmosphere or an oxidizing atmosphere. Preferably, after the heat treatment is performed in an inert atmosphere, the heat treatment is performed in an oxidizing atmosphere. By heat treatment in an inert atmosphere, the impurity concentration of the first oxide semiconductor film can be reduced in a short time. On the other hand, oxygen vacancies may be generated in the first oxide semiconductor film by heat treatment in an inert atmosphere. In that case, the oxygen deficiency can be reduced by heat treatment in an oxidizing atmosphere. The heat treatment may be performed under reduced pressure of 1000 Pa or less, 100 Pa or less, 10 Pa or less, or 1 Pa or less. Under reduced pressure, the impurity concentration of the first oxide semiconductor film can be further reduced in a short time.
第1の酸化物半導体膜は、厚さが1nm以上10nm未満であることにより、厚さが10nm以上である場合と比べ、加熱処理によって容易に結晶化させることができる。 When the thickness of the first oxide semiconductor film is greater than or equal to 1 nm and less than 10 nm, the first oxide semiconductor film can be easily crystallized by heat treatment as compared to the case where the thickness is greater than or equal to 10 nm.
次に、第1の酸化物半導体膜と同じ組成である第2の酸化物半導体膜を10nm以上50nm以下の厚さで成膜する。第2の酸化物半導体膜はスパッタリング法を用いて成膜する。具体的には、基板温度を100℃以上500℃以下、好ましくは150℃以上450℃以下とし、成膜ガス中の酸素割合を30体積%以上、好ましくは100体積%として成膜する。 Next, a second oxide semiconductor film having the same composition as the first oxide semiconductor film is formed to a thickness of 10 nm to 50 nm. The second oxide semiconductor film is formed by sputtering. Specifically, the substrate temperature is set to 100 ° C. to 500 ° C., preferably 150 ° C. to 450 ° C., and the film formation gas is formed with an oxygen ratio of 30 vol% or more, preferably 100 vol%.
次に、加熱処理を行い、第2の酸化物半導体膜を第1のCAAC−OS膜から固相成長させることで、結晶性の高い第2のCAAC−OS膜とする。加熱処理の温度は、350℃以上740℃以下、好ましくは450℃以上650℃以下とする。また、加熱処理の時間は1分以上24時間以下、好ましくは6分以上4時間以下とする。また、加熱処理は、不活性雰囲気または酸化性雰囲気で行えばよい。好ましくは、不活性雰囲気で加熱処理を行った後、酸化性雰囲気で加熱処理を行う。不活性雰囲気での加熱処理により、第2の酸化物半導体膜の不純物濃度を短時間で低減することができる。一方、不活性雰囲気での加熱処理により第2の酸化物半導体膜に酸素欠損が生成されることがある。その場合、酸化性雰囲気での加熱処理によって該酸素欠損を低減することができる。なお、加熱処理は1000Pa以下、100Pa以下、10Pa以下または1Pa以下の減圧下で行ってもよい。減圧下では、第2の酸化物半導体膜の不純物濃度をさらに短時間で低減することができる。 Next, heat treatment is performed to solid-phase grow the second oxide semiconductor film from the first CAAC-OS film, whereby the second CAAC-OS film having high crystallinity is formed. The temperature of the heat treatment is 350 ° C to 740 ° C, preferably 450 ° C to 650 ° C. The heat treatment time is 1 minute to 24 hours, preferably 6 minutes to 4 hours. The heat treatment may be performed in an inert atmosphere or an oxidizing atmosphere. Preferably, after the heat treatment is performed in an inert atmosphere, the heat treatment is performed in an oxidizing atmosphere. By heat treatment in an inert atmosphere, the impurity concentration of the second oxide semiconductor film can be reduced in a short time. On the other hand, oxygen vacancies may be generated in the second oxide semiconductor film by heat treatment in an inert atmosphere. In that case, the oxygen deficiency can be reduced by heat treatment in an oxidizing atmosphere. The heat treatment may be performed under reduced pressure of 1000 Pa or less, 100 Pa or less, 10 Pa or less, or 1 Pa or less. Under reduced pressure, the impurity concentration of the second oxide semiconductor film can be further reduced in a short time.
以上のようにして、合計の厚さが10nm以上であるCAAC−OS膜を形成することができる。 As described above, a CAAC-OS film with a total thickness of 10 nm or more can be formed.
本実施の形態は、少なくともその一部を本明細書中に記載する他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。 This embodiment can be implemented in appropriate combination with at least a part of the other embodiments described in this specification.
(実施の形態3)
本実施の形態では、本発明の一態様のトランジスタを利用した回路の一例について図面を参照して説明する。
Third Embodiment
In this embodiment, an example of a circuit using a transistor of one embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[回路構成例]
実施の形態1に示した構成において、トランジスタや配線、電極の接続構成を異ならせることにより、様々な回路を構成することができる。以下では、本発明の一態様の半導体装置を用いることにより実現できる回路構成の例を説明する。
[Circuit configuration example]
In the structure described in Embodiment 1, various circuits can be formed by changing connection structures of transistors, wirings, and electrodes. Hereinafter, examples of circuit configurations which can be realized by using the semiconductor device of one embodiment of the present invention will be described.
〔CMOS回路〕
図22(A)に示す回路図は、pチャネル型のトランジスタ2200とnチャネル型のトランジスタ2100を直列に接続し、且つそれぞれのゲートを接続した、いわゆるCMOS回路の構成を示している。なお図中、第2の半導体材料が適用されたトランジスタには「OS」の記号を付して示している。
[CMOS circuit]
The circuit diagram shown in FIG. 22A shows a configuration of a so-called CMOS circuit in which a p-channel transistor 2200 and an n-channel transistor 2100 are connected in series and their gates are connected. Note that in the drawing, the transistor to which the second semiconductor material is applied is shown with the symbol “OS”.
〔アナログスイッチ〕
また図22(B)に示す回路図は、トランジスタ2100とトランジスタ2200のそれぞれのソースとドレインを接続した構成を示している。このような構成とすることで、いわゆるアナログスイッチとして機能させることができる。
[Analog switch]
The circuit diagram in FIG. 22B illustrates a structure in which the source and the drain of each of the transistor 2100 and the transistor 2200 are connected. With such a configuration, it can function as a so-called analog switch.
〔記憶装置の例〕
本発明の一態様であるトランジスタを使用し、電力が供給されない状況でも記憶内容の保持が可能で、且つ、書き込み回数にも制限が無い半導体装置(記憶装置)の一例を図22に示す。
[Example of storage device]
An example of a semiconductor device (memory device) which uses a transistor which is one embodiment of the present invention and which can hold stored data even in a situation where power is not supplied and which has no limitation on the number of times of writing is illustrated in FIG.
図22(C)に示す半導体装置は、第1の半導体材料を用いたトランジスタ3200と第2の半導体材料を用いたトランジスタ3300、及び容量素子3400を有している。なお、トランジスタ3300としては、上記実施の形態で例示したトランジスタを用いることができる。 The semiconductor device illustrated in FIG. 22C includes a transistor 3200 using a first semiconductor material, a transistor 3300 using a second semiconductor material, and a capacitor 3400. Note that as the transistor 3300, any of the transistors described in the above embodiments can be used.
本実施の形態では、トランジスタ3300として、酸化物半導体を有する半導体層にチャネルが形成されるトランジスタを用いる例を示す。トランジスタ3300は、オフ電流が小さいため、これを用いることにより長期にわたり記憶内容を保持することが可能である。つまり、リフレッシュ動作を必要としない、或いは、リフレッシュ動作の頻度が極めて少ない半導体記憶装置とすることが可能となるため、消費電力を十分に低減することができる。 In this embodiment, an example in which a channel is formed in a semiconductor layer including an oxide semiconductor is described as the transistor 3300. Since the transistor 3300 has low off-state current, stored data can be held for a long time by using this. In other words, power consumption can be sufficiently reduced because a semiconductor memory device which does not require a refresh operation or has a very low refresh operation frequency can be provided.
図22(C)において、第1の配線3001はトランジスタ3200のソース電極と電気的に接続され、第2の配線3002はトランジスタ3200のドレイン電極と電気的に接続されている。また、第3の配線3003はトランジスタ3300のソース電極またはドレイン電極の一方と電気的に接続され、第4の配線3004はトランジスタ3300のゲート電極と電気的に接続されている。そして、トランジスタ3200のゲート電極、およびトランジスタ3300のソース電極またはドレイン電極の他方は、容量素子3400の電極の一方と電気的に接続され、第5の配線3005は容量素子3400の電極の他方と電気的に接続されている。 In FIG. 22C, the first wiring 3001 is electrically connected to the source electrode of the transistor 3200, and the second wiring 3002 is electrically connected to the drain electrode of the transistor 3200. In addition, the third wiring 3003 is electrically connected to one of the source electrode and the drain electrode of the transistor 3300, and the fourth wiring 3004 is electrically connected to the gate electrode of the transistor 3300. The other of the gate electrode of the transistor 3200 and the other of the source and drain electrodes of the transistor 3300 is electrically connected to one of the electrodes of the capacitor 3400, and the fifth wiring 3005 is electrically connected to the other of the electrodes of the capacitor 3400. Connected.
図22(C)に示す半導体装置では、トランジスタ3200のゲート電極の電位が保持可能という特徴を活かすことで、次のように、情報の書き込み、保持、読み出しが可能である。 In the semiconductor device illustrated in FIG. 22C, writing, holding, and reading of data can be performed as follows by utilizing the feature that the potential of the gate electrode of the transistor 3200 can be held.
情報の書き込みおよび保持について説明する。まず、第4の配線3004の電位を、トランジスタ3300がオン状態となる電位にして、トランジスタ3300をオン状態とする。これにより、第3の配線3003の電位が、トランジスタ3200のゲート電極、および容量素子3400に与えられる。すなわち、トランジスタ3200のゲート電極には、所定の電荷が与えられる(書き込み)。ここでは、異なる二つの電位レベルを与える電荷(以下Lowレベル電荷、Highレベル電荷という)のいずれかが与えられるものとする。その後、第4の配線3004の電位を、トランジスタ3300がオフ状態となる電位にして、トランジスタ3300をオフ状態とすることにより、トランジスタ3200のゲート電極に与えられた電荷が保持される(保持)。 The writing and holding of information will be described. First, the potential of the fourth wiring 3004 is set to a potential at which the transistor 3300 is turned on, whereby the transistor 3300 is turned on. Accordingly, the potential of the third wiring 3003 is supplied to the gate electrode of the transistor 3200 and the capacitor 3400. That is, predetermined charge is given to the gate electrode of the transistor 3200 (writing). Here, it is assumed that one of charges (hereinafter referred to as low level charge and high level charge) giving two different potential levels is given. After that, the potential of the fourth wiring 3004 is set to a potential at which the transistor 3300 is turned off, and the transistor 3300 is turned off, whereby the charge given to the gate electrode of the transistor 3200 is held (holding).
トランジスタ3300のオフ電流は極めて小さいため、トランジスタ3200のゲート電極の電荷は長時間にわたって保持される。 Since the off-state current of the transistor 3300 is extremely small, the charge of the gate electrode of the transistor 3200 is held for a long time.
次に情報の読み出しについて説明する。第1の配線3001に所定の電位(定電位)を与えた状態で、第5の配線3005に適切な電位(読み出し電位)を与えると、トランジスタ3200のゲート電極に保持された電荷量に応じて、第2の配線3002は異なる電位をとる。一般に、トランジスタ3200をnチャネル型とすると、トランジスタ3200のゲート電極にHighレベル電荷が与えられている場合の見かけのしきい値Vth_Hは、トランジスタ3200のゲート電極にLowレベル電荷が与えられている場合の見かけのしきい値Vth_Lより低くなるためである。ここで、見かけのしきい値電圧とは、トランジスタ3200を「オン状態」とするために必要な第5の配線3005の電位をいうものとする。したがって、第5の配線3005の電位をVth_HとVth_Lの間の電位V0とすることにより、トランジスタ3200のゲート電極に与えられた電荷を判別できる。例えば、書き込みにおいて、Highレベル電荷が与えられていた場合には、第5の配線3005の電位がV0(>Vth_H)となれば、トランジスタ3200は「オン状態」となる。Lowレベル電荷が与えられていた場合には、第5の配線3005の電位がV0(<Vth_L)となっても、トランジスタ3200は「オフ状態」のままである。このため、第2の配線3002の電位を判別することで、保持されている情報を読み出すことができる。 Next, reading of information will be described. When an appropriate potential (read potential) is applied to the fifth wiring 3005 in a state where a predetermined potential (constant potential) is applied to the first wiring 3001, a charge amount stored in the gate electrode of the transistor 3200 is applied. , And the second wiring 3002 have different potentials. In general, when the transistor 3200 is an n-channel transistor, the apparent threshold value V th — H when the high level charge is given to the gate electrode of the transistor 3200 is that the low level charge is given to the gate electrode of the transistor 3200 This is because it is lower than the apparent threshold value V th_L of the case. Here, the apparent threshold voltage refers to the potential of the fifth wiring 3005 which is necessary to turn on the transistor 3200. Therefore, by setting the potential of the fifth wiring 3005 to the potential V 0 between V th — H and V th — L , the charge applied to the gate electrode of the transistor 3200 can be determined. For example, in the case where high level charge is given in writing, the transistor 3200 is turned on when the potential of the fifth wiring 3005 is V 0 (> V th — H ). When low level charge is applied, the transistor 3200 remains in the “off state” even when the potential of the fifth wiring 3005 becomes V 0 (<V th — L 2 ). Therefore, by determining the potential of the second wiring 3002, the held information can be read.
なお、メモリセルをアレイ状に配置して用いる場合、所望のメモリセルの情報のみを読み出せることが必要になる。このように情報を読み出さない場合には、ゲート電極の状態にかかわらずトランジスタ3200が「オフ状態」となるような電位、つまり、Vth_Hより小さい電位を第5の配線3005に与えればよい。または、ゲート電極の状態にかかわらずトランジスタ3200が「オン状態」となるような電位、つまり、Vth_Lより大きい電位を第5の配線3005に与えればよい。 Note that in the case where memory cells are arrayed to be used, it is necessary to be able to read only information of a desired memory cell. In the case where information is not read out in this manner, a potential which causes the transistor 3200 to be in the “off state” regardless of the state of the gate electrode, that is, a potential smaller than V th — H may be supplied to the fifth wiring 3005. Alternatively , the fifth wiring 3005 may be supplied with a potential at which the transistor 3200 is turned “on” regardless of the state of the gate electrode, that is, a potential higher than V th — L.
図22(D)に示す半導体装置は、トランジスタ3200を設けていない点で主に図22(C)と相違している。この場合も上記と同様の動作により情報の書き込み及び保持動作が可能である。 The semiconductor device illustrated in FIG. 22D is mainly different from FIG. 22C in that the transistor 3200 is not provided. Also in this case, the operation of writing and holding information is possible by the same operation as described above.
次に、情報の読み出しについて説明する。トランジスタ3300がオン状態となると、浮遊状態である第3の配線3003と容量素子3400とが導通し、第3の配線3003と容量素子3400の間で電荷が再分配される。その結果、第3の配線3003の電位が変化する。第3の配線3003の電位の変化量は、容量素子3400の電極の一方の電位(あるいは容量素子3400に蓄積された電荷)によって、異なる値をとる。 Next, reading of information will be described. When the transistor 3300 is turned on, the third wiring 3003 in a floating state and the capacitor 3400 are electrically connected, and charge is redistributed between the third wiring 3003 and the capacitor 3400. As a result, the potential of the third wiring 3003 is changed. The amount of change in the potential of the third wiring 3003 varies depending on the potential of one of the electrodes of the capacitor 3400 (or the charge stored in the capacitor 3400).
例えば、容量素子3400の電極の一方の電位をV、容量素子3400の容量をC、第3の配線3003が有する容量成分をCB、電荷が再分配される前の第3の配線3003の電位をVB0とすると、電荷が再分配された後の第3の配線3003の電位は、(CB×VB0+C×V)/(CB+C)となる。したがって、メモリセルの状態として、容量素子3400の電極の一方の電位がV1とV0(V1>V0)の2状態をとるとすると、電位V1を保持している場合の第3の配線3003の電位(=(CB×VB0+C×V1)/(CB+C))は、電位V0を保持している場合の第3の配線3003の電位(=(CB×VB0+C×V0)/(CB+C))よりも高くなることがわかる。 For example, the potential of one of the electrodes of the capacitor 3400 is V, the capacitance of the capacitor 3400 is C, the capacitance component of the third wiring 3003 is CB, and the potential of the third wiring 3003 before charge is redistributed Assuming that the potential is VB0, the potential of the third wiring 3003 after the charge is redistributed is (CB × VB0 + C × V) / (CB + C). Therefore, assuming that the potential of one of the electrodes of capacitive element 3400 has two states of V1 and V0 (V1> V0) as the state of the memory cell, the potential of third wiring 3003 in the case of holding potential V1. (= (CB × VB0 + C × V1) / (CB + C)) is higher than the potential (= (CB × VB0 + C × V0) / (CB + C)) of the third wiring 3003 in the case where the potential V0 is held. I understand that.
そして、第3の配線3003の電位を所定の電位と比較することで、情報を読み出すことができる。 Then, the information can be read out by comparing the potential of the third wiring 3003 with a predetermined potential.
この場合、メモリセルを駆動させるための駆動回路に上記第1の半導体材料が適用されたトランジスタを用い、トランジスタ3300として第2の半導体材料が適用されたトランジスタを駆動回路上に積層して設ける構成とすればよい。 In this case, a transistor to which the first semiconductor material is applied is used as a driver circuit for driving a memory cell, and a transistor to which a second semiconductor material is applied as the transistor 3300 is stacked over the driver circuit. And it is sufficient.
本実施の形態に示す半導体装置では、チャネル形成領域に酸化物半導体を用いたオフ電流の極めて小さいトランジスタを適用することで、極めて長期にわたり記憶内容を保持することが可能である。つまり、リフレッシュ動作が不要となるか、または、リフレッシュ動作の頻度を極めて低くすることが可能となるため、消費電力を十分に低減することができる。また、電力の供給がない場合(ただし、電位は固定されていることが望ましい)であっても、長期にわたって記憶内容を保持することが可能である。 In the semiconductor device described in this embodiment, stored data can be held for an extremely long time by applying a transistor with extremely low off-state current in which an oxide semiconductor is used for a channel formation region. That is, since the refresh operation becomes unnecessary or the frequency of the refresh operation can be extremely low, the power consumption can be sufficiently reduced. In addition, even when power is not supplied (however, the potential is preferably fixed), stored data can be held for a long time.
また、本実施の形態に示す半導体装置では、情報の書き込みに高い電圧を必要とせず、素子の劣化の問題もない。例えば、従来の不揮発性メモリのように、フローティングゲートへの電子の注入や、フローティングゲートからの電子の引き抜きを行う必要がないため、ゲート絶縁膜の劣化といった問題が全く生じない。すなわち、開示する発明に係る半導体装置では、従来の不揮発性メモリで問題となっている書き換え可能回数に制限はなく、信頼性が飛躍的に向上する。さらに、トランジスタのオン状態、オフ状態によって、情報の書き込みが行われるため、高速な動作も容易に実現しうる。 Further, in the semiconductor device described in this embodiment, a high voltage is not required for writing information, and there is no problem of element deterioration. For example, unlike the conventional non-volatile memory, it is not necessary to inject electrons into the floating gate or extract electrons from the floating gate, so there is no problem such as deterioration of the gate insulating film. That is, in the semiconductor device according to the disclosed invention, there is no limitation on the number of times of rewriting which is a problem in the conventional nonvolatile memory, and the reliability is dramatically improved. In addition, since information is written according to the on state and the off state of the transistor, high-speed operation can be easily realized.
本実施の形態は、少なくともその一部を本明細書中に記載する他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。 This embodiment can be implemented in appropriate combination with at least a part of the other embodiments described in this specification.
(実施の形態4)
本実施の形態では、本発明の一態様であるトランジスタを使用した半導体装置の一例について、図面を用いて説明する。図29は、本発明の一態様に係る半導体装置の回路図の一例である。
Embodiment 4
In this embodiment, an example of a semiconductor device using a transistor which is an embodiment of the present invention will be described with reference to drawings. FIG. 29 is an example of a circuit diagram of a semiconductor device according to one embodiment of the present invention.
図29に示す半導体装置は、容量素子660aと、容量素子660bと、トランジスタ661aと、トランジスタ661bと、トランジスタ662aと、トランジスタ662bと、インバータ663aと、インバータ663bと、配線BLと、配線BLBと、配線WLと、配線CLと、配線GLと、を有する。 The semiconductor device illustrated in FIG. 29 includes a capacitor 660a, a capacitor 660b, a transistor 661a, a transistor 661b, a transistor 662a, a transistor 662b, an inverter 663a, an inverter 663b, a wiring BL, and a wiring BLB. A wiring WL, a wiring CL, and a wiring GL are provided.
図29に示す半導体装置は、インバータ663aおよびインバータ663bがリング接続することでフリップフロップが構成されるメモリセルである。インバータ663bの出力信号が出力されるノードをノードVN1とし、インバータ663aの出力信号が出力されるノードをノードVN2とする。なお、該メモリセルをマトリクス状に配置することで、記憶装置(メモリセルアレイ)を構成することができる。 The semiconductor device illustrated in FIG. 29 is a memory cell in which a flip flop is formed by ring connection of an inverter 663a and an inverter 663b. A node to which an output signal of the inverter 663b is output is referred to as a node VN1, and a node to which an output signal of the inverter 663a is output is referred to as a node VN2. Note that a memory device (memory cell array) can be formed by arranging the memory cells in a matrix.
トランジスタ662aのソース、ドレインの一方は配線BLと電気的に接続し、ソース、ドレインの他方はノードVN1と電気的に接続し、ゲートは配線WLと電気的に接続する。トランジスタ662bのソース、ドレインの一方はノードVN2と電気的に接続し、ソース、ドレインの他方は配線BLBと電気的に接続し、ゲートは配線WLと電気的に接続する。 One of the source and the drain of the transistor 662a is electrically connected to the wiring BL, the other of the source and the drain is electrically connected to the node VN1, and the gate is electrically connected to the wiring WL. One of the source and the drain of the transistor 662b is electrically connected to the node VN2, the other of the source and the drain is electrically connected to the wiring BLB, and the gate is electrically connected to the wiring WL.
トランジスタ661aのソース、ドレインの一方はノードVN1と電気的に接続し、ソース、ドレインの他方は容量素子660aの一方の電極と電気的に接続し、ゲートは配線GLと電気的に接続する。ここで、トランジスタ661aのソース、ドレインの他方と、容量素子660aの一方の電極と、の間のノードをノードNVN1とする。トランジスタ661bのソース、ドレインの一方はノードVN2と電気的に接続し、ソース、ドレインの他方は容量素子660bの一方の電極と電気的に接続し、ゲートは配線GLと電気的に接続する。ここで、トランジスタ661bのソース、ドレインの他方と、容量素子660bの一方の電極と、の間のノードをノードNVN2とする。 One of the source and the drain of the transistor 661a is electrically connected to the node VN1, the other of the source and the drain is electrically connected to one electrode of the capacitor 660a, and the gate is electrically connected to the wiring GL. Here, a node between the other of the source and the drain of the transistor 661a and one electrode of the capacitor 660a is a node NVN1. One of the source and the drain of the transistor 661b is electrically connected to the node VN2, the other of the source and the drain is electrically connected to one electrode of the capacitor 660b, and the gate is electrically connected to the wiring GL. Here, a node between the other of the source and the drain of the transistor 661b and one electrode of the capacitor 660b is a node NVN2.
容量素子660aの他方の電極は配線CLと電気的に接続する。容量素子660bの他方の電極は配線CLと電気的に接続する。 The other electrode of the capacitor 660 a is electrically connected to the wiring CL. The other electrode of the capacitor 660 b is electrically connected to the wiring CL.
トランジスタ662aおよびトランジスタ662bの導通状態、非導通状態の選択は、配線WLに与える電位によって制御することができる。トランジスタ661aおよびトランジスタ661bの導通状態、非導通状態の選択は、配線GLに与える電位によって制御することができる。 The conductive state and non-conductive state of the transistors 662a and 662b can be selected by the potential applied to the wiring WL. The conductive state and non-conductive state of the transistors 661a and 661b can be selected by the potential applied to the wiring GL.
図29に示したメモリセルの書き込み、保持および読み出しについて以下に説明する。 The writing, holding and reading of the memory cell shown in FIG. 29 will be described below.
書き込み時は、まず配線BLおよび配線BLBにデータ0またはデータ1に対応する電位を印加する。 At the time of writing, first, a potential corresponding to data 0 or data 1 is applied to the wiring BL and the wiring BLB.
例えば、データ1を書き込みたい場合、配線BLをハイレベルの電源電位(VDD)、配線BLBを接地電位とする。次に、配線WLにトランジスタ662a、トランジスタ662bのしきい値電圧にVDDを加えた電位以上の電位(VH)を印加する。 For example, in the case where data 1 is to be written, the wiring BL is set to a high level power supply potential (VDD) and the wiring BLB is set to a ground potential. Next, a potential (VH) higher than or equal to the sum of VDD and the threshold voltage of the transistors 662 a and 662 b is applied to the wiring WL.
次に、配線WLの電位をトランジスタ662a、トランジスタ662bのしきい値電圧未満とすることで、フリップフロップに書き込んだデータ1が保持される。 Next, the potential of the wiring WL is set to be lower than the threshold voltage of the transistors 662 a and 662 b, whereby the data 1 written to the flip-flop is held.
読み出し時は、あらかじめ配線BLおよび配線BLBをVDDとする。次に、配線WLにVHを印加することで、配線BLはVDDのまま変化しないが、配線BLBはトランジスタ662aおよびインバータ663aを介して放電し、接地電位となる。この配線BLと配線BLBとの電位差をセンスアンプ(図示せず)にて増幅することにより保持されたデータ1を読み出すことができる。 At the time of reading, the wiring BL and the wiring BLB are set to VDD in advance. Next, by applying VH to the wiring WL, the wiring BL remains unchanged at VDD, but the wiring BLB is discharged through the transistor 662a and the inverter 663a and becomes a ground potential. Data 1 held can be read out by amplifying the potential difference between the wiring BL and the wiring BLB with a sense amplifier (not shown).
なお、データ0を書き込みたい場合は、配線BLを接地電位、配線BLBをVDDとし、その後配線WLにVHを印加すればよい。次に、配線WLの電位をトランジスタ662a、トランジスタ662bのしきい値電圧未満とすることで、フリップフロップに書き込んだデータ0が保持される。読み出し時は、あらかじめ配線BLおよび配線BLBをVDDとし、配線WLにVHを印加することで、配線BLBはVDDのまま変化しないが、配線BLはトランジスタ662bおよびインバータ663bを介して放電し、接地電位となる。この配線BLと配線BLBとの電位差をセンスアンプにて増幅することにより保持されたデータ0を読み出すことができる。 Note that in the case where data 0 is to be written, the wiring BL may be at the ground potential, the wiring BLB may be VDD, and then VH may be applied to the wiring WL. Next, the potential of the wiring WL is set to be lower than the threshold voltage of the transistors 662 a and 662 b, whereby the data 0 written to the flip flop is held. At the time of reading, by setting the wiring BL and the wiring BLB to VDD in advance and applying VH to the wiring WL, the wiring BLB remains unchanged at VDD, but the wiring BL is discharged through the transistor 662b and the inverter 663b and the ground potential It becomes. Data 0 held can be read out by amplifying the potential difference between the wiring BL and the wiring BLB with a sense amplifier.
したがって、図29に示す半導体装置はいわゆるSRAM(Static Random Access Memory)として機能する。SRAMはフリップフロップを用いてデータを保持するため、リフレッシュ動作が不要である。そのため、データの保持時の消費電力を抑えることができる。また、フリップフロップにおいて容量素子を用いないため、高速動作の求められる用途に好適である。 Therefore, the semiconductor device illustrated in FIG. 29 functions as a so-called static random access memory (SRAM). Since the SRAM uses flip-flops to hold data, a refresh operation is unnecessary. Therefore, power consumption at the time of data retention can be suppressed. In addition, since a capacitor is not used in the flip flop, it is suitable for applications requiring high speed operation.
また、図29に示す半導体装置は、トランジスタ661aを介して、ノードVN1からノードNVN1にデータを書き込むことが可能である。同様に、トランジスタ661bを介して、ノードVN2からノードNVN2にデータを書き込むことが可能である。書き込まれたデータは、トランジスタ661aまたはトランジスタ661bを非導通状態とすることによって保持される。例えば、電源電位の供給を止めた場合でも、ノードVN1およびノードVN2のデータを保持できる場合がある。 Further, in the semiconductor device illustrated in FIG. 29, data can be written from the node VN1 to the node NVN1 through the transistor 661a. Similarly, data can be written from node VN2 to node NVN2 through transistor 661b. The written data is held by turning off the transistor 661a or 661b. For example, even when the supply of the power supply potential is stopped, the data of the nodes VN1 and VN2 may be able to be held.
電源電位の供給を止めると、直ちにデータが消失する従来のSRAMと異なり、図29に示す半導体装置は、電源電位の供給を止めた後でもデータを保持できる。そのため、適宜電源電位をオンまたはオフすることによって、消費電力の小さい半導体装置を実現することができる。例えば、CPUの記憶領域に図29に示す半導体装置を用いることで、CPUの消費電力を小さくすることもできる。 Unlike the conventional SRAM in which data disappears immediately when the supply of power supply potential is stopped, the semiconductor device shown in FIG. 29 can retain data even after the supply of power supply potential is stopped. Therefore, a semiconductor device with low power consumption can be realized by turning on or off the power supply potential as appropriate. For example, power consumption of the CPU can be reduced by using the semiconductor device shown in FIG. 29 for the memory area of the CPU.
なお、ノードNVN1およびノードNVN2にデータを保持する期間は、トランジスタ661aおよびトランジスタ661bのオフ電流によって変化することがわかる。したがって、データの保持期間を長くするためには、トランジスタ661aおよびトランジスタ661bには、オフ電流の低いトランジスタを用いればよいことになる。または、容量素子660aおよび容量素子660bの容量を大きくすればよいことになる。 Note that the period in which data is held in the nodes NVN1 and NVN2 is changed by the off-state current of the transistors 661a and 661b. Therefore, in order to extend the data retention period, transistors with low off-state current may be used for the transistors 661a and 661b. Alternatively, the capacitances of the capacitor 660a and the capacitor 660b may be increased.
例えば、実施の形態1に示したトランジスタ100および容量素子150を、トランジスタ661aおよび容量素子660aとして用いれば、ノードNVN1に長期間に渡ってデータを保持することが可能となる。同様に、トランジスタ100および容量素子150を、トランジスタ661bおよび容量素子660bとして用いれば、ノードNVN2に長期間に渡ってデータを保持することが可能となる。したがって、トランジスタ661aおよびトランジスタ661bについては、トランジスタ100についての記載を参照すればよい。また、容量素子660aおよび容量素子660bについては、容量素子150についての記載を参照すればよい。 For example, when the transistor 100 and the capacitor 150 described in Embodiment 1 are used as the transistor 661a and the capacitor 660a, data can be held in the node NVN1 for a long time. Similarly, when the transistor 100 and the capacitor 150 are used as the transistor 661 b and the capacitor 660 b, data can be held at the node NVN 2 for a long time. Therefore, the description of the transistor 100 can be referred to for the transistor 661a and the transistor 661b. Further, for the capacitor 660 a and the capacitor 660 b, the description of the capacitor 150 may be referred to.
また、上記実施の形態で説明したように、トランジスタ100にプラグ121およびプラグ122を用いることで、トランジスタ100や容量素子150を含めた素子の、占有面積を縮小することができる。図29に示すトランジスタ661a、トランジスタ661b、容量素子660aおよび容量素子660bに、上記実施の形態で説明したトランジスタ100や容量素子150を用いることができる。したがって、図29に示す半導体装置は、従来のSRAMと比べて占有面積を大きく増大させることなく、作製することができる場合がある。トランジスタ662a、トランジスタ662b、インバータ663aに含まれるトランジスタおよびインバータ663bに含まれるトランジスタについては、トランジスタ130についての記載を参照すればよい。 In addition, as described in the above embodiment, by using the plug 121 and the plug 122 for the transistor 100, the area occupied by the elements including the transistor 100 and the capacitor 150 can be reduced. The transistor 100 or the capacitor 150 described in the above embodiment can be used for the transistor 661a, the transistor 661b, the capacitor 660a, and the capacitor 660b illustrated in FIG. Therefore, in some cases, the semiconductor device shown in FIG. 29 can be manufactured without largely increasing the occupied area as compared with the conventional SRAM. The description of the transistor 130 may be referred to for the transistor included in the transistor 662 a, the transistor 662 b, the transistor included in the inverter 663 a, and the transistor included in the inverter 663 b.
以上に示したように、本発明の一態様に係る半導体装置は、占有面積に対して高い性能を有することがわかる。また、生産性の高い半導体装置であることがわかる。 As described above, it is understood that the semiconductor device according to one embodiment of the present invention has high performance with respect to the occupied area. In addition, it is understood that the semiconductor device has high productivity.
本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。 This embodiment can be combined with any of the other embodiments shown in this specification as appropriate.
(実施の形態5)
本実施の形態では、上記実施の形態で例示したトランジスタ、または記憶装置を含むRFタグについて、図23を用いて説明する。
Fifth Embodiment
In this embodiment, an RF tag including the transistor or the memory device described in the above embodiment is described with reference to FIG.
本実施の形態におけるRFタグは、内部に記憶回路を有し、記憶回路に必要な情報を記憶し、非接触手段、例えば無線通信を用いて外部と情報の授受を行うものである。このような特徴から、RFタグは、物品などの個体情報を読み取ることにより物品の識別を行う個体認証システムなどに用いることが可能である。なお、これらの用途に用いるためには極めて高い信頼性が要求される。ここでRFタグは、例えば、物品に付与されたIDと呼ばれる識別情報を認識するRFIDタグであってもよい。 The RF tag in this embodiment has a memory circuit inside, stores necessary information in the memory circuit, and exchanges information with the outside using non-contact means, for example, wireless communication. From such a feature, the RF tag can be used for an individual identification system or the like for identifying an item by reading individual information such as an item. In addition, extremely high reliability is required to be used for these applications. Here, the RF tag may be, for example, an RFID tag that recognizes identification information called an ID assigned to an article.
RFタグの構成について図23を用いて説明する。図23は、RFタグの構成例を示すブロック図である。 The configuration of the RF tag is described with reference to FIG. FIG. 23 is a block diagram showing a configuration example of the RF tag.
図23に示すようにRFタグ800は、通信器801(質問器、リーダ/ライタなどともいう)に接続されたアンテナ802から送信される無線信号803を受信するアンテナ804を有する。またRFタグ800は、整流回路805、定電圧回路806、復調回路807、変調回路808、論理回路809、記憶回路810、ROM811を有している。なお、復調回路807に含まれる整流作用を示すトランジスタに逆方向電流を十分に抑制することが可能な材料、例えば、酸化物半導体、が用いられた構成としてもよい。これにより、逆方向電流に起因する整流作用の低下を抑制し、復調回路の出力が飽和することを防止できる。つまり、復調回路の入力に対する復調回路の出力を線形に近づけることができる。なお、データの伝送形式は、一対のコイルを対向配置して相互誘導によって交信を行う電磁結合方式、誘導電磁界によって交信する電磁誘導方式、電波を利用して交信する電波方式の3つに大別される。本実施の形態に示すRFタグ800は、そのいずれの方式に用いることも可能である。 As shown in FIG. 23, the RF tag 800 has an antenna 804 that receives a wireless signal 803 transmitted from an antenna 802 connected to a communicator 801 (also referred to as an interrogator or a reader / writer). The RF tag 800 further includes a rectifier circuit 805, a constant voltage circuit 806, a demodulation circuit 807, a modulation circuit 808, a logic circuit 809, a memory circuit 810, and a ROM 811. Note that a transistor capable of sufficiently suppressing a reverse current, such as an oxide semiconductor, may be used as the transistor included in the demodulation circuit 807 and having a rectifying function. As a result, it is possible to suppress the decrease in the rectification action caused by the reverse current and prevent the output of the demodulation circuit from being saturated. That is, the output of the demodulation circuit with respect to the input of the demodulation circuit can be approximated linearly. The data transmission format is broadly divided into three types: electromagnetic coupling that communicates by mutual induction by arranging a pair of coils facing each other, electromagnetic induction that communicates by induction electromagnetic field, and radio wave that communicates using radio waves. It is divided. The RF tag 800 described in this embodiment can be used in any of the methods.
次に各回路の構成について説明する。アンテナ804は、通信器801に接続されたアンテナ802との間で無線信号803の送受信を行うためのものである。また、整流回路805は、アンテナ804で無線信号を受信することにより生成される入力交流信号を整流、例えば、半波2倍圧整流し、後段に設けられた容量素子により、整流された信号を平滑化することで入力電位を生成するための回路である。なお、整流回路805の入力側または出力側には、リミッタ回路を設けてもよい。リミッタ回路とは、入力交流信号の振幅が大きく、内部生成電圧が大きい場合に、ある電力以上の電力を後段の回路に入力しないように制御するための回路である。 Next, the configuration of each circuit will be described. The antenna 804 is for transmitting and receiving the wireless signal 803 with the antenna 802 connected to the communication device 801. In addition, the rectifier circuit 805 rectifies an input AC signal generated by receiving a wireless signal by the antenna 804, for example, a half-wave voltage doubler and converts the rectified signal by a capacitive element provided in a subsequent stage. It is a circuit for generating an input potential by smoothing. Note that a limiter circuit may be provided on the input side or the output side of the rectifier circuit 805. The limiter circuit is a circuit for controlling so as not to input power of a certain power or more to the circuit in the subsequent stage when the amplitude of the input AC signal is large and the internally generated voltage is large.
定電圧回路806は、入力電位から安定した電源電圧を生成し、各回路に供給するための回路である。なお、定電圧回路806は、内部にリセット信号生成回路を有していてもよい。リセット信号生成回路は、安定した電源電圧の立ち上がりを利用して、論理回路809のリセット信号を生成するための回路である。 The constant voltage circuit 806 is a circuit for generating a stable power supply voltage from the input potential and supplying it to each circuit. The constant voltage circuit 806 may have a reset signal generation circuit inside. The reset signal generation circuit is a circuit for generating a reset signal of the logic circuit 809 using the rise of the stable power supply voltage.
復調回路807は、入力交流信号を包絡線検出することにより復調し、復調信号を生成するための回路である。また、変調回路808は、アンテナ804より出力するデータに応じて変調をおこなうための回路である。 The demodulation circuit 807 demodulates the input AC signal by envelope detection to generate a demodulated signal. The modulation circuit 808 is a circuit for performing modulation in accordance with data output from the antenna 804.
論理回路809は復調信号を解析し、処理を行うための回路である。記憶回路810は、入力された情報を保持する回路であり、ロウデコーダ、カラムデコーダ、記憶領域などを有する。また、ROM811は、固有番号(ID)などを格納し、処理に応じて出力を行うための回路である。 The logic circuit 809 is a circuit for analyzing and processing the demodulated signal. The memory circuit 810 is a circuit that holds input information and includes a row decoder, a column decoder, a memory area, and the like. The ROM 811 is a circuit for storing a unique number (ID) or the like and outputting according to processing.
なお、上述の各回路は、必要に応じて、適宜、取捨することができる。 Note that each of the circuits described above can be discarded as appropriate.
ここで、先の実施の形態で説明した記憶回路を、記憶回路810に用いることができる。本発明の一態様の記憶回路は、電源が遮断された状態であっても情報を保持できるため、RFタグに好適に用いることができる。さらに本発明の一態様の記憶回路は、データの書き込みに必要な電力(電圧)が従来の不揮発性メモリに比べて著しく小さいため、データの読み出し時と書込み時の最大通信距離の差を生じさせないことも可能である。さらに、データの書き込み時に電力が不足し、誤動作または誤書込みが生じることを抑制することができる。 Here, the memory circuit described in the above embodiment can be used for the memory circuit 810. The memory circuit of one embodiment of the present invention can hold information even when the power is shut off; thus, the memory circuit can be suitably used for an RF tag. Furthermore, the memory circuit of one embodiment of the present invention does not cause a difference in the maximum communication distance at the time of reading and writing of data because the power (voltage) required for writing data is significantly smaller than that of a conventional nonvolatile memory. It is also possible. Furthermore, it is possible to suppress the occurrence of malfunction or erroneous writing due to power shortage at the time of data writing.
また、本発明の一態様の記憶回路は、不揮発性のメモリとして用いることが可能であるため、ROM811に適用することもできる。その場合には、生産者がROM811にデータを書き込むためのコマンドを別途用意し、ユーザが自由に書き換えできないようにしておくことが好ましい。生産者が出荷前に固有番号を書込んだのちに製品を出荷することで、作製したRFタグすべてについて固有番号を付与するのではなく、出荷する良品にのみ固有番号を割り当てることが可能となり、出荷後の製品の固有番号が不連続になることがなく出荷後の製品に対応した顧客管理が容易となる。 Further, the memory circuit of one embodiment of the present invention can be used as a nonvolatile memory; therefore, the memory circuit can also be applied to the ROM 811. In that case, it is preferable that the producer separately prepares a command for writing data in the ROM 811 so that the user can not freely rewrite. By shipping the product after the manufacturer writes the unique number before shipping, it becomes possible to assign unique numbers only to non-defective items to be shipped, instead of assigning unique numbers to all the manufactured RF tags, It becomes easy to manage the customer corresponding to the product after shipment without the unique number of the product after shipment becoming discontinuous.
本実施の形態は、少なくともその一部を本明細書中に記載する他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。 This embodiment can be implemented in appropriate combination with at least a part of the other embodiments described in this specification.
(実施の形態6)
本実施の形態では、少なくとも実施の形態で説明したトランジスタを用いることができ、先の実施の形態で説明した記憶装置を含むCPUについて説明する。
Sixth Embodiment
In this embodiment, at least the transistor described in the embodiment can be used and a CPU including the memory device described in the above embodiment is described.
図24は、先の実施の形態で説明したトランジスタを少なくとも一部に用いたCPUの一例の構成を示すブロック図である。 FIG. 24 is a block diagram showing an example of a configuration of a CPU using at least a part of the transistor described in the above embodiment.
図24に示すCPUは、基板1190上に、ALU1191(ALU:Arithmetic logic unit、演算回路)、ALUコントローラ1192、インストラクションデコーダ1193、インタラプトコントローラ1194、タイミングコントローラ1195、レジスタ1196、レジスタコントローラ1197、バスインターフェース1198(Bus I/F)、書き換え可能なROM1199、およびROMインターフェース1189(ROM I/F)を有している。基板1190は、半導体基板、SOI基板、ガラス基板などを用いる。ROM1199およびROMインターフェース1189は、別チップに設けてもよい。もちろん、図24に示すCPUは、その構成を簡略化して示した一例にすぎず、実際のCPUはその用途によって多種多様な構成を有している。例えば、図24に示すCPUまたは演算回路を含む構成を一つのコアとし、当該コアを複数含み、それぞれのコアが並列で動作するような構成としてもよい。また、CPUが内部演算回路やデータバスで扱えるビット数は、例えば8ビット、16ビット、32ビット、64ビットなどとすることができる。 The CPU shown in FIG. 24 includes an ALU 1191 (ALU: Arithmetic logic unit, arithmetic circuit), an ALU controller 1192, an instruction decoder 1193, an interrupt controller 1194, a timing controller 1195, a register 1196, a register controller 1197, and a bus interface 1198 on a substrate 1190. (Bus I / F), a rewritable ROM 1199, and a ROM interface 1189 (ROM I / F). As the substrate 1190, a semiconductor substrate, an SOI substrate, a glass substrate, or the like is used. The ROM 1199 and the ROM interface 1189 may be provided on separate chips. Of course, the CPU shown in FIG. 24 is merely an example in which the configuration is simplified, and an actual CPU may have various configurations depending on the application. For example, the configuration including the CPU or the arithmetic circuit illustrated in FIG. 24 may be one core, and a plurality of the cores may be included and each core may operate in parallel. Also, the number of bits that the CPU can handle with the internal arithmetic circuit and data bus can be, for example, 8, 16, 32, or 64 bits.
バスインターフェース1198を介してCPUに入力された命令は、インストラクションデコーダ1193に入力され、デコードされた後、ALUコントローラ1192、インタラプトコントローラ1194、レジスタコントローラ1197、タイミングコントローラ1195に入力される。 An instruction input to the CPU via the bus interface 1198 is input to the instruction decoder 1193 and decoded, and then input to the ALU controller 1192, the interrupt controller 1194, the register controller 1197, and the timing controller 1195.
ALUコントローラ1192、インタラプトコントローラ1194、レジスタコントローラ1197、タイミングコントローラ1195は、デコードされた命令に基づき、各種制御を行なう。具体的にALUコントローラ1192は、ALU1191の動作を制御するための信号を生成する。また、インタラプトコントローラ1194は、CPUのプログラム実行中に、外部の入出力装置や、周辺回路からの割り込み要求を、その優先度やマスク状態から判断し、処理する。レジスタコントローラ1197は、レジスタ1196のアドレスを生成し、CPUの状態に応じてレジスタ1196の読み出しや書き込みを行なう。 The ALU controller 1192, the interrupt controller 1194, the register controller 1197, and the timing controller 1195 perform various controls based on the decoded instruction. Specifically, the ALU controller 1192 generates a signal for controlling the operation of the ALU 1191. Further, the interrupt controller 1194 determines and processes an interrupt request from an external input / output device or a peripheral circuit from the priority or the mask state while the program of the CPU is being executed. The register controller 1197 generates an address of the register 1196 and performs reading and writing of the register 1196 according to the state of the CPU.
また、タイミングコントローラ1195は、ALU1191、ALUコントローラ1192、インストラクションデコーダ1193、インタラプトコントローラ1194、およびレジスタコントローラ1197の動作のタイミングを制御する信号を生成する。例えばタイミングコントローラ1195は、基準クロック信号CLK1を元に、内部クロック信号CLK2を生成する内部クロック生成部を備えており、内部クロック信号CLK2を上記各種回路に供給する。 In addition, the timing controller 1195 generates a signal that controls the operation timing of the ALU 1191, the ALU controller 1192, the instruction decoder 1193, the interrupt controller 1194, and the register controller 1197. For example, the timing controller 1195 includes an internal clock generation unit that generates an internal clock signal CLK2 based on the reference clock signal CLK1, and supplies the internal clock signal CLK2 to the various circuits.
図24に示すCPUでは、レジスタ1196に、メモリセルが設けられている。レジスタ1196のメモリセルとして、先の実施の形態に示したトランジスタを用いることができる。 In the CPU shown in FIG. 24, the memory cell is provided in the register 1196. As the memory cell of the register 1196, the transistor described in the above embodiment can be used.
図24に示すCPUにおいて、レジスタコントローラ1197は、ALU1191からの指示に従い、レジスタ1196における保持動作の選択を行う。すなわち、レジスタ1196が有するメモリセルにおいて、フリップフロップによるデータの保持を行うか、容量素子によるデータの保持を行うかを、選択する。フリップフロップによるデータの保持が選択されている場合、レジスタ1196内のメモリセルへの、電源電圧の供給が行われる。容量素子におけるデータの保持が選択されている場合、容量素子へのデータの書き換えが行われ、レジスタ1196内のメモリセルへの電源電圧の供給を停止することができる。 In the CPU shown in FIG. 24, the register controller 1197 selects the holding operation in the register 1196 in accordance with the instruction from the ALU 1191. That is, in the memory cell included in the register 1196, it is selected whether data is held by a flip flop or data is held by a capacitor. When holding of data by flip flop is selected, supply of power supply voltage to memory cells in register 1196 is performed. When data retention in the capacitor is selected, data rewriting to the capacitor is performed, and supply of the power supply voltage to the memory cell in the register 1196 can be stopped.
図25は、レジスタ1196として用いることのできる記憶素子の回路図の一例である。記憶素子1200は、電源遮断で記憶データが揮発する回路1201と、電源遮断で記憶データが揮発しない回路1202と、スイッチ1203と、スイッチ1204と、論理素子1206と、容量素子1207と、選択機能を有する回路1220と、を有する。回路1202は、容量素子1208と、トランジスタ1209と、トランジスタ1210と、を有する。なお、記憶素子1200は、必要に応じて、ダイオード、抵抗素子、インダクタなどのその他の素子をさらに有していても良い。トランジスタ1209は酸化物半導体層ににチャネルが形成されるトランジスタであることが好ましい。 FIG. 25 is an example of a circuit diagram of a memory element that can be used as the register 1196. The memory element 1200 includes a circuit 1201 in which stored data is volatilized by power interruption, a circuit 1202 in which stored data is not volatilized by power interruption, a switch 1203, a switch 1204, a logic element 1206, a capacitor element 1207, and a selection function. And the circuit 1220. The circuit 1202 includes a capacitor 1208, a transistor 1209, and a transistor 1210. Note that the memory element 1200 may further include another element such as a diode, a resistor, or an inductor as needed. The transistor 1209 is preferably a transistor in which a channel is formed in the oxide semiconductor layer.
ここで、回路1202には、先の実施の形態で説明した記憶装置を用いることができる。記憶素子1200への電源電圧の供給が停止した際、回路1202のトランジスタ1209のゲートには接地電位(0V)、またはトランジスタ1209がオフする電位が入力され続ける構成とする。例えば、トランジスタ1209のゲートが抵抗等の負荷を介して接地される構成とする。 Here, the memory device described in the above embodiment can be used for the circuit 1202. When supply of the power supply voltage to the memory element 1200 is stopped, a ground potential (0 V) or a potential at which the transistor 1209 is turned off is continuously input to the gate of the transistor 1209 in the circuit 1202. For example, the gate of the transistor 1209 is grounded via a load such as a resistor.
スイッチ1203は、一導電型(例えば、nチャネル型)のトランジスタ1213を用いて構成され、スイッチ1204は、一導電型とは逆の導電型(例えば、pチャネル型)のトランジスタ1214を用いて構成した例を示す。ここで、スイッチ1203の第1の端子はトランジスタ1213のソースとドレインの一方に対応し、スイッチ1203の第2の端子はトランジスタ1213のソースとドレインの他方に対応し、スイッチ1203はトランジスタ1213のゲートに入力される制御信号RDによって、第1の端子と第2の端子の間の導通または非導通(つまり、トランジスタ1213のオン状態またはオフ状態)が選択される。スイッチ1204の第1の端子はトランジスタ1214のソースとドレインの一方に対応し、スイッチ1204の第2の端子はトランジスタ1214のソースとドレインの他方に対応し、スイッチ1204はトランジスタ1214のゲートに入力される制御信号RDによって、第1の端子と第2の端子の間の導通または非導通(つまり、トランジスタ1214のオン状態またはオフ状態)が選択される。 The switch 1203 is formed using a transistor 1213 of one conductivity type (eg, n channel type), and the switch 1204 is formed using a transistor 1214 of a conductivity type (eg, p channel type) opposite to the one conductivity type. An example is shown. Here, the first terminal of the switch 1203 corresponds to one of the source and the drain of the transistor 1213, the second terminal of the switch 1203 corresponds to the other of the source and the drain of the transistor 1213, and the switch 1203 is the gate of the transistor 1213 The conduction or non-conduction between the first terminal and the second terminal (that is, the on state or the off state of the transistor 1213) is selected by the control signal RD input to the signal. The first terminal of the switch 1204 corresponds to one of the source and the drain of the transistor 1214, the second terminal of the switch 1204 corresponds to the other of the source and the drain of the transistor 1214, and the switch 1204 is input to the gate of the transistor 1214 The control signal RD selects the conduction or non-conduction (that is, the on state or the off state of the transistor 1214) between the first terminal and the second terminal.
トランジスタ1209のソースとドレインの一方は、容量素子1208の一対の電極のうちの一方、およびトランジスタ1210のゲートと電気的に接続される。ここで、接続部分をノードM2とする。トランジスタ1210のソースとドレインの一方は、低電源電位を供給することのできる配線(例えばGND線)に電気的に接続され、他方は、スイッチ1203の第1の端子(トランジスタ1213のソースとドレインの一方)と電気的に接続される。スイッチ1203の第2の端子(トランジスタ1213のソースとドレインの他方)はスイッチ1204の第1の端子(トランジスタ1214のソースとドレインの一方)と電気的に接続される。スイッチ1204の第2の端子(トランジスタ1214のソースとドレインの他方)は電源電位VDDを供給することのできる配線と電気的に接続される。スイッチ1203の第2の端子(トランジスタ1213のソースとドレインの他方)と、スイッチ1204の第1の端子(トランジスタ1214のソースとドレインの一方)と、論理素子1206の入力端子と、容量素子1207の一対の電極のうちの一方と、は電気的に接続される。ここで、接続部分をノードM1とする。容量素子1207の一対の電極のうちの他方は、一定の電位が入力される構成とすることができる。例えば、低電源電位(GND等)または高電源電位(VDD等)が入力される構成とすることができる。容量素子1207の一対の電極のうちの他方は、低電源電位を供給することのできる配線(例えばGND線)と電気的に接続される。容量素子1208の一対の電極のうちの他方は、一定の電位が入力される構成とすることができる。例えば、低電源電位(GND等)または高電源電位(VDD等)が入力される構成とすることができる。容量素子1208の一対の電極のうちの他方は、低電源電位を供給することのできる配線(例えばGND線)と電気的に接続される。 One of the source and the drain of the transistor 1209 is electrically connected to one of the pair of electrodes of the capacitor 1208 and the gate of the transistor 1210. Here, the connection portion is assumed to be a node M2. One of the source and the drain of the transistor 1210 is electrically connected to a wiring (eg, a GND line) which can supply a low power supply potential, and the other is a first terminal of the switch 1203 (a source and a drain of the transistor 1213). On the other hand. The second terminal of the switch 1203 (the other of the source and the drain of the transistor 1213) is electrically connected to the first terminal of the switch 1204 (one of the source and the drain of the transistor 1214). The second terminal of the switch 1204 (the other of the source and the drain of the transistor 1214) is electrically connected to a wiring that can supply the power supply potential VDD. The second terminal of the switch 1203 (the other of the source and the drain of the transistor 1213), the first terminal of the switch 1204 (one of the source and the drain of the transistor 1214), the input terminal of the logic element 1206, and the capacitor 1207 One of the pair of electrodes is electrically connected. Here, the connection portion is assumed to be a node M1. A fixed potential can be input to the other of the pair of electrodes of the capacitor 1207. For example, a low power supply potential (such as GND) or a high power supply potential (such as VDD) can be input. The other of the pair of electrodes of the capacitive element 1207 is electrically connected to a wiring (eg, a GND line) which can supply a low power supply potential. A fixed potential can be input to the other of the pair of electrodes of the capacitor 1208. For example, a low power supply potential (such as GND) or a high power supply potential (such as VDD) can be input. The other of the pair of electrodes of the capacitor 1208 is electrically connected to a wiring (eg, a GND line) which can supply a low power supply potential.
なお、容量素子1207および容量素子1208は、トランジスタや配線の寄生容量等を積極的に利用することによって省略することも可能である。 Note that the capacitor 1207 and the capacitor 1208 can be omitted by actively using parasitic capacitance or the like of a transistor or a wiring.
トランジスタ1209の第1ゲート(第1のゲート電極)には、制御信号WEが入力される。スイッチ1203およびスイッチ1204は、制御信号WEとは異なる制御信号RDによって第1の端子と第2の端子の間の導通状態または非導通状態を選択され、一方のスイッチの第1の端子と第2の端子の間が導通状態のとき他方のスイッチの第1の端子と第2の端子の間は非導通状態となる。 A control signal WE is input to a first gate (first gate electrode) of the transistor 1209. The switch 1203 and the switch 1204 are selected to be conductive or nonconductive between the first terminal and the second terminal by a control signal RD different from the control signal WE. When the terminals of the other switch are in the conductive state, the first terminal and the second terminal of the other switch are in the non-conductive state.
トランジスタ1209のソースとドレインの他方には、回路1201に保持されたデータに対応する信号が入力される。図25では、回路1201から出力された信号が、トランジスタ1209のソースとドレインの他方に入力される例を示した。スイッチ1203の第2の端子(トランジスタ1213のソースとドレインの他方)から出力される信号は、論理素子1206によってその論理値が反転された反転信号となり、回路1220を介して回路1201に入力される。 A signal corresponding to data held in the circuit 1201 is input to the other of the source and the drain of the transistor 1209. FIG. 25 illustrates an example in which the signal output from the circuit 1201 is input to the other of the source and the drain of the transistor 1209. The signal output from the second terminal of the switch 1203 (the other of the source and the drain of the transistor 1213) is an inverted signal whose logic value is inverted by the logic element 1206, and is input to the circuit 1201 through the circuit 1220. .
なお、図25では、スイッチ1203の第2の端子(トランジスタ1213のソースとドレインの他方)から出力される信号は、論理素子1206および回路1220を介して回路1201に入力する例を示したがこれに限定されない。スイッチ1203の第2の端子(トランジスタ1213のソースとドレインの他方)から出力される信号が、論理値を反転させられることなく、回路1201に入力されてもよい。例えば、回路1201内に、入力端子から入力された信号の論理値が反転した信号が保持されるノードが存在する場合に、スイッチ1203の第2の端子(トランジスタ1213のソースとドレインの他方)から出力される信号を当該ノードに入力することができる。 Note that FIG. 25 illustrates an example in which the signal output from the second terminal of the switch 1203 (the other of the source and the drain of the transistor 1213) is input to the circuit 1201 through the logic element 1206 and the circuit 1220. It is not limited to. A signal output from the second terminal of the switch 1203 (the other of the source and the drain of the transistor 1213) may be input to the circuit 1201 without inverting the logic value. For example, when there is a node in the circuit 1201 at which a signal obtained by inverting the logic value of a signal input from an input terminal is held, the second terminal of the switch 1203 (the other of the source and the drain of the transistor 1213) is provided. A signal to be output can be input to the node.
また、図25において、記憶素子1200に用いられるトランジスタのうち、トランジスタ1209以外のトランジスタは、酸化物半導体以外の半導体でなる層または基板1190にチャネルが形成されるトランジスタとすることができる。例えば、シリコン層またはシリコン基板にチャネルが形成されるトランジスタとすることができる。また、記憶素子1200に用いられるトランジスタ全てを、チャネルが酸化物半導体層で形成されるトランジスタとすることもできる。または、記憶素子1200は、トランジスタ1209以外にも、チャネルが酸化物半導体層で形成されるトランジスタを含んでいてもよく、残りのトランジスタは酸化物半導体以外の半導体でなる層または基板1190にチャネルが形成されるトランジスタとすることもできる。 Further, in FIG. 25, among the transistors used for the memory element 1200, the transistors other than the transistor 1209 can be transistors in which a channel is formed in a layer other than an oxide semiconductor or in the substrate 1190. For example, it can be a transistor in which a channel is formed in a silicon layer or a silicon substrate. Alternatively, all the transistors used for the memory element 1200 can be transistors in which a channel is formed using an oxide semiconductor layer. Alternatively, the memory element 1200 may include a transistor whose channel is formed using an oxide semiconductor layer in addition to the transistor 1209, and the remaining transistors have a channel in a layer or a substrate 1190 other than an oxide semiconductor. It can also be a transistor to be formed.
図25における回路1201には、例えばフリップフロップ回路を用いることができる。また、論理素子1206としては、例えばインバータやクロックドインバータ等を用いることができる。 For example, a flip flop circuit can be used for the circuit 1201 in FIG. For example, an inverter or a clocked inverter can be used as the logic element 1206.
本発明の一態様のける半導体装置では、記憶素子1200に電源電圧が供給されない間は、回路1201に記憶されていたデータを、回路1202に設けられた容量素子1208によって保持することができる。 In the semiconductor device in one embodiment of the present invention, while the power supply voltage is not supplied to the memory element 1200, data stored in the circuit 1201 can be held by the capacitor 1208 provided in the circuit 1202.
また、酸化物半導体層にチャネルが形成されるトランジスタはオフ電流が極めて小さい。例えば、酸化物半導体層にチャネルが形成されるトランジスタのオフ電流は、結晶性を有するシリコンにチャネルが形成されるトランジスタのオフ電流に比べて著しく低い。そのため、当該トランジスタをトランジスタ1209として用いることによって、記憶素子1200に電源電圧が供給されない間も容量素子1208に保持された信号は長期間にわたり保たれる。こうして、記憶素子1200は電源電圧の供給が停止した間も記憶内容(データ)を保持することが可能である。 In addition, a transistor in which a channel is formed in an oxide semiconductor layer has extremely low off-state current. For example, the off-state current of a transistor whose channel is formed in an oxide semiconductor layer is significantly lower than the off-state current of a transistor whose channel is formed in crystalline silicon. Therefore, by using the transistor as the transistor 1209, the signal held in the capacitor 1208 can be held for a long time even while the power supply voltage is not supplied to the memory element 1200. Thus, the storage element 1200 can retain stored contents (data) even while the supply of the power supply voltage is stopped.
また、スイッチ1203およびスイッチ1204を設けることによって、プリチャージ動作を行うことを特徴とする記憶素子であるため、電源電圧供給再開後に、回路1201が元のデータを保持しなおすまでの時間を短くすることができる。 In addition, since the memory element is characterized in that a precharge operation is performed by providing the switch 1203 and the switch 1204, the time until the circuit 1201 holds the original data again after power supply voltage restart is shortened. be able to.
また、回路1202において、容量素子1208によって保持された信号はトランジスタ1210のゲートに入力される。そのため、記憶素子1200への電源電圧の供給が再開された後、容量素子1208によって保持された信号を、トランジスタ1210の状態(オン状態、またはオフ状態)に変換して、回路1202から読み出すことができる。それ故、容量素子1208に保持された信号に対応する電位が多少変動していても、元の信号を正確に読み出すことが可能である。 In the circuit 1202, the signal held by the capacitor 1208 is input to the gate of the transistor 1210. Therefore, after supply of the power supply voltage to the memory element 1200 is resumed, the signal held by the capacitor 1208 can be converted to the state (on or off) of the transistor 1210 and read from the circuit 1202 it can. Therefore, even if the potential corresponding to the signal held in the capacitor element 1208 fluctuates to some extent, the original signal can be accurately read.
このような記憶素子1200を、プロセッサが有するレジスタやキャッシュメモリなどの記憶装置に用いることで、電源電圧の供給停止による記憶装置内のデータの消失を防ぐことができる。また、電源電圧の供給を再開した後、短時間で電源供給停止前の状態に復帰することができる。よって、プロセッサ全体、もしくはプロセッサを構成する一つ、または複数の論理回路において、短い時間でも電源停止を行うことができるため、消費電力を抑えることができる。 By using such a storage element 1200 for a storage device such as a register included in a processor or a cache memory, data loss in the storage device due to the supply stop of the power supply voltage can be prevented. In addition, after the supply of the power supply voltage is resumed, the state before the stop of the power supply can be restored in a short time. Therefore, power can be shut down even in a short time in the entire processor or one or a plurality of logic circuits constituting the processor, power consumption can be suppressed.
本実施の形態では、記憶素子1200をCPUに用いる例として説明したが、記憶素子1200は、DSP(Digital Signal Processor)、カスタムLSI、PLD(Programmable Logic Device)等のLSI、RF(Radio Frequency)タグにも応用可能である。 In this embodiment, the memory element 1200 is described as an example using the CPU, but the memory element 1200 may be a DSP (Digital Signal Processor), a custom LSI, an LSI such as a PLD (Programmable Logic Device), an RF (Radio Frequency) tag. Is also applicable.
本実施の形態は、少なくともその一部を本明細書中に記載する他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。 This embodiment can be implemented in appropriate combination with at least a part of the other embodiments described in this specification.
(実施の形態7)
本実施の形態では、本発明の一態様の表示パネルの構成例について説明する。
Seventh Embodiment
In this embodiment, a structural example of a display panel of one embodiment of the present invention will be described.
[構成例]
図26(A)は、本発明の一態様の表示パネルの上面図であり、図26(B)は、本発明の一態様の表示パネルの画素に液晶素子を適用する場合に用いることができる画素回路を説明するための回路図である。また、図26(C)は、本発明の一態様の表示パネルの画素に有機EL素子を適用する場合に用いることができる画素回路を説明するための回路図である。
[Example of configuration]
FIG. 26A is a top view of a display panel of one embodiment of the present invention, and FIG. 26B can be used when a liquid crystal element is applied to a pixel of the display panel of one embodiment of the present invention It is a circuit diagram for demonstrating a pixel circuit. FIG. 26C is a circuit diagram for describing a pixel circuit which can be used in the case of applying an organic EL element to a pixel of a display panel of one embodiment of the present invention.
画素部に配置するトランジスタは、上記実施の形態に従って形成することができる。また、当該トランジスタはnチャネル型とすることが容易なので、駆動回路のうち、nチャネル型トランジスタで構成することができる駆動回路の一部を画素部のトランジスタと同一基板上に形成する。このように、画素部や駆動回路に上記実施の形態に示すトランジスタを用いることにより、信頼性の高い表示装置を提供することができる。 The transistors arranged in the pixel portion can be formed according to the above embodiment mode. In addition, since the transistor can be easily an n-channel transistor, part of the driver circuit which can be formed using an n-channel transistor is formed over the same substrate as the transistor in the pixel portion. As described above, by using the transistor described in the above embodiment for the pixel portion and the driver circuit, a highly reliable display device can be provided.
アクティブマトリクス型表示装置のブロック図の一例を図26(A)に示す。表示装置の基板700上には、画素部701、第1の走査線駆動回路702、第2の走査線駆動回路703、信号線駆動回路704を有する。画素部701には、複数の信号線が信号線駆動回路704から延伸して配置され、複数の走査線が第1の走査線駆動回路702、及び第2の走査線駆動回路703から延伸して配置されている。なお走査線と信号線との交差領域には、各々、表示素子を有する画素がマトリクス状に設けられている。また、表示装置の基板700はFPC(Flexible Printed Circuit)等の接続部を介して、タイミング制御回路(コントローラ、制御ICともいう)に接続されている。 An example of a block diagram of an active matrix display device is illustrated in FIG. A pixel portion 701, a first scan line driver circuit 702, a second scan line driver circuit 703, and a signal line driver circuit 704 are provided over a substrate 700 of a display device. In the pixel portion 701, a plurality of signal lines are extended from the signal line driver circuit 704, and a plurality of scan lines are extended from the first scan line driver circuit 702 and the second scan line driver circuit 703. It is arranged. Note that pixels each having a display element are provided in a matrix in a region where the scan line and the signal line intersect. The substrate 700 of the display device is connected to a timing control circuit (also referred to as a controller or a control IC) through a connection portion such as a flexible printed circuit (FPC).
図26(A)では、第1の走査線駆動回路702、第2の走査線駆動回路703、信号線駆動回路704は、画素部701と同じ基板700上に形成される。そのため、外部に設ける駆動回路等の部品の数が減るので、コストの低減を図ることができる。また、基板700外部に駆動回路を設けた場合、配線を延伸させる必要が生じ、配線間の接続数が増える。同じ基板700上に駆動回路を設けた場合、その配線間の接続数を減らすことができ、信頼性の向上、又は歩留まりの向上を図ることができる。 In FIG. 26A, the first scan line driver circuit 702, the second scan line driver circuit 703, and the signal line driver circuit 704 are formed over the same substrate 700 as the pixel portion 701. Therefore, the number of parts such as a drive circuit provided outside is reduced, so that cost can be reduced. Further, in the case where a driver circuit is provided outside the substrate 700, it is necessary to extend the wiring, which increases the number of connections between the wirings. When the driver circuit is provided over the same substrate 700, the number of connections between the wirings can be reduced, which can improve the reliability or the yield.
〔液晶パネル〕
また、画素の回路構成の一例を図26(B)に示す。ここでは、VA型液晶表示パネルの画素に適用することができる画素回路を示す。
[Liquid crystal panel]
Further, an example of a circuit configuration of the pixel is illustrated in FIG. Here, a pixel circuit which can be applied to a pixel of a VA liquid crystal display panel is shown.
この画素回路は、一つの画素に複数の画素電極層を有する構成に適用できる。それぞれの画素電極層は異なるトランジスタに接続され、各トランジスタは異なるゲート信号で駆動できるように構成されている。これにより、マルチドメイン設計された画素の個々の画素電極層に印加する信号を、独立して制御できる。 This pixel circuit can be applied to a configuration having a plurality of pixel electrode layers in one pixel. Each pixel electrode layer is connected to a different transistor, and each transistor is configured to be driven by different gate signals. Thus, signals applied to individual pixel electrode layers of multi-domain designed pixels can be independently controlled.
トランジスタ716のゲート配線712と、トランジスタ717のゲート配線713には、異なるゲート信号を与えることができるように分離されている。一方、データ線として機能するソース電極層又はドレイン電極層714は、トランジスタ716とトランジスタ717で共通に用いられている。トランジスタ716とトランジスタ717は上記実施の形態で説明するトランジスタ100を適宜用いることができる。これにより、信頼性の高い液晶表示パネルを提供することができる。 The gate wiring 712 of the transistor 716 and the gate wiring 713 of the transistor 717 are separated so that different gate signals can be given. On the other hand, the source electrode layer or drain electrode layer 714 functioning as a data line is used in common by the transistor 716 and the transistor 717. As the transistor 716 and the transistor 717, the transistor 100 described in the above embodiment can be used as appropriate. Thus, a highly reliable liquid crystal display panel can be provided.
トランジスタ716と電気的に接続する第1の画素電極層と、トランジスタ717と電気的に接続する第2の画素電極層の形状について説明する。第1の画素電極層と第2の画素電極層の形状は、スリットによって分離されている。第1の画素電極層はV字型に広がる形状を有し、第2の画素電極層は第1の画素電極層の外側を囲むように形成される。 The shapes of a first pixel electrode layer electrically connected to the transistor 716 and a second pixel electrode layer electrically connected to the transistor 717 are described. The shapes of the first pixel electrode layer and the second pixel electrode layer are separated by slits. The first pixel electrode layer has a V-shaped shape, and the second pixel electrode layer is formed to surround the outer side of the first pixel electrode layer.
トランジスタ716のゲート電極はゲート配線712と接続され、トランジスタ717のゲート電極はゲート配線713と接続されている。ゲート配線712とゲート配線713に異なるゲート信号を与えてトランジスタ716とトランジスタ717の動作タイミングを異ならせ、液晶の配向を制御できる。 The gate electrode of the transistor 716 is connected to the gate wiring 712, and the gate electrode of the transistor 717 is connected to the gate wiring 713. Different gate signals are given to the gate wiring 712 and the gate wiring 713 to make the operation timings of the transistor 716 and the transistor 717 different, so that the alignment of liquid crystal can be controlled.
また、容量配線710と、誘電体として機能するゲート絶縁膜と、第1の画素電極層または第2の画素電極層と電気的に接続する容量電極とで保持容量を形成してもよい。 Alternatively, a storage capacitor may be formed of the capacitor wiring 710, a gate insulating film functioning as a dielectric, and a capacitor electrode electrically connected to the first pixel electrode layer or the second pixel electrode layer.
マルチドメイン構造は、一画素に第1の液晶素子718と第2の液晶素子719を備える。第1の液晶素子718は第1の画素電極層と対向電極層とその間の液晶層とで構成され、第2の液晶素子719は第2の画素電極層と対向電極層とその間の液晶層とで構成される。 The multi-domain structure includes a first liquid crystal element 718 and a second liquid crystal element 719 in one pixel. The first liquid crystal element 718 is composed of a first pixel electrode layer, a counter electrode layer, and a liquid crystal layer in between, and the second liquid crystal element 719 is a second pixel electrode layer, a counter electrode layer, and a liquid crystal layer in between It consists of
なお、図26(B)に示す画素回路は、これに限定されない。例えば、図26(B)に示す画素に新たにスイッチ、抵抗素子、容量素子、トランジスタ、センサ、又は論理回路などを追加してもよい。 Note that the pixel circuit illustrated in FIG. 26B is not limited to this. For example, a switch, a resistor, a capacitor, a transistor, a sensor, a logic circuit, or the like may be newly added to the pixel illustrated in FIG.
〔有機ELパネル〕
画素の回路構成の他の一例を図26(C)に示す。ここでは、有機EL素子を用いた表示パネルの画素構造を示す。
[Organic EL panel]
Another example of the circuit configuration of the pixel is shown in FIG. Here, a pixel structure of a display panel using an organic EL element is shown.
有機EL素子は、発光素子に電圧を印加することにより、一対の電極の一方から電子が、他方から正孔がそれぞれ発光性の有機化合物を含む層に注入され、電流が流れる。そして、電子および正孔が再結合することにより、発光性の有機化合物が励起状態を形成し、その励起状態が基底状態に戻る際に発光する。このようなメカニズムから、このような発光素子は、電流励起型の発光素子と呼ばれる。 In the organic EL element, when a voltage is applied to the light-emitting element, electrons are injected from one of the pair of electrodes and holes from the other into the layer containing the light-emitting organic compound, and a current flows. Then, the electron and the hole recombine, whereby the light emitting organic compound forms an excited state, and light is emitted when the excited state returns to the ground state. From such a mechanism, such a light emitting element is referred to as a current excitation light emitting element.
図26(C)は、適用可能な画素回路の一例を示す図である。ここではnチャネル型のトランジスタを1つの画素に2つ用いる例を示す。なお、本発明の一態様の金属酸化物膜は、nチャネル型のトランジスタのチャネル形成領域に用いることができる。また、当該画素回路は、デジタル時間階調駆動を適用することができる。 FIG. 26C shows an example of an applicable pixel circuit. Here, an example in which two n-channel transistors are used in one pixel is shown. Note that the metal oxide film of one embodiment of the present invention can be used for a channel formation region of an n-channel transistor. Further, digital time gray scale driving can be applied to the pixel circuit.
適用可能な画素回路の構成及びデジタル時間階調駆動を適用した場合の画素の動作について説明する。 The configuration of the applicable pixel circuit and the operation of the pixel when digital time gray scale driving is applied will be described.
画素720は、スイッチング用トランジスタ721、駆動用トランジスタ722、発光素子724及び容量素子723を有している。スイッチング用トランジスタ721は、ゲート電極層が走査線726に接続され、第1電極(ソース電極層及びドレイン電極層の一方)が信号線725に接続され、第2電極(ソース電極層及びドレイン電極層の他方)が駆動用トランジスタ722のゲート電極層に接続されている。駆動用トランジスタ722は、ゲート電極層が容量素子723を介して電源線727に接続され、第1電極が電源線727に接続され、第2電極が発光素子724の第1電極(画素電極)に接続されている。発光素子724の第2電極は共通電極728に相当する。共通電極728は、同一基板上に形成される共通電位線と電気的に接続される。 The pixel 720 includes a switching transistor 721, a driving transistor 722, a light emitting element 724, and a capacitor 723. In the switching transistor 721, the gate electrode layer is connected to the scan line 726, the first electrode (one of the source electrode layer and the drain electrode layer) is connected to the signal line 725, and the second electrode (source electrode layer and drain electrode layer) And the other is connected to the gate electrode layer of the driving transistor 722. The gate electrode layer of the driving transistor 722 is connected to the power supply line 727 via the capacitor 723, the first electrode is connected to the power supply line 727, and the second electrode is connected to the first electrode (pixel electrode) of the light emitting element 724. It is connected. The second electrode of the light emitting element 724 corresponds to the common electrode 728. The common electrode 728 is electrically connected to a common potential line formed on the same substrate.
スイッチング用トランジスタ721および駆動用トランジスタ722は上記実施の形態で説明するトランジスタ100を適宜用いることができる。これにより、信頼性の高い有機EL表示パネルを提供することができる。 As the switching transistor 721 and the driving transistor 722, the transistor 100 described in the above embodiment can be used as appropriate. Thereby, a highly reliable organic EL display panel can be provided.
発光素子724の第2電極(共通電極728)の電位は低電源電位に設定する。なお、低電源電位とは、電源線727に供給される高電源電位より低い電位であり、例えばGND、0Vなどを低電源電位として設定することができる。発光素子724の順方向のしきい値電圧以上となるように高電源電位と低電源電位を設定し、その電位差を発光素子724に印加することにより、発光素子724に電流を流して発光させる。なお、発光素子724の順方向電圧とは、所望の輝度とする場合の電圧を指しており、少なくとも順方向しきい値電圧を含む。 The potential of the second electrode (common electrode 728) of the light emitting element 724 is set to a low power supply potential. Note that the low power supply potential is a potential lower than the high power supply potential supplied to the power supply line 727, and, for example, GND or 0 V can be set as the low power supply potential. The high power supply potential and the low power supply potential are set to be higher than or equal to the threshold voltage of the light emitting element 724 in the forward direction, and the potential difference is applied to the light emitting element 724 to flow a current to the light emitting element 724 to emit light. Note that the forward voltage of the light-emitting element 724 refers to a voltage at which desired luminance is obtained, and includes at least a forward threshold voltage.
なお、容量素子723は駆動用トランジスタ722のゲート容量を代用することにより省略できる。駆動用トランジスタ722のゲート容量については、チャネル形成領域とゲート電極層との間で容量が形成されていてもよい。 Note that the capacitor 723 can be omitted by substituting the gate capacitance of the driving transistor 722. The gate capacitance of the driving transistor 722 may be a capacitance between the channel formation region and the gate electrode layer.
次に、駆動用トランジスタ722に入力する信号について説明する。電圧入力電圧駆動方式の場合、駆動用トランジスタ722が十分にオンするか、オフするかの二つの状態となるようなビデオ信号を、駆動用トランジスタ722に入力する。なお、駆動用トランジスタ722を線形領域で動作させるために、電源線727の電圧よりも高い電圧を駆動用トランジスタ722のゲート電極層にかける。また、信号線725には、電源線電圧に駆動用トランジスタ722の閾値電圧Vthを加えた値以上の電圧をかける。 Next, signals input to the driving transistor 722 will be described. In the case of a voltage input voltage driving method, video signals in which the driving transistor 722 is fully turned on or off are input to the driving transistor 722. Note that in order to operate the driving transistor 722 in a linear region, a voltage higher than the voltage of the power supply line 727 is applied to the gate electrode layer of the driving transistor 722. Further, a voltage equal to or higher than a value obtained by adding the threshold voltage Vth of the drive transistor 722 to the power supply line voltage is applied to the signal line 725.
アナログ階調駆動を行う場合、駆動用トランジスタ722のゲート電極層に発光素子724の順方向電圧に駆動用トランジスタ722の閾値電圧Vthを加えた値以上の電圧をかける。なお、駆動用トランジスタ722が飽和領域で動作するようにビデオ信号を入力し、発光素子724に電流を流す。また、駆動用トランジスタ722を飽和領域で動作させるために、電源線727の電位を、駆動用トランジスタ722のゲート電位より高くする。ビデオ信号をアナログとすることで、発光素子724にビデオ信号に応じた電流を流し、アナログ階調駆動を行うことができる。 When analog gray scale driving is performed, a voltage equal to or higher than the sum of the forward voltage of the light emitting element 724 and the threshold voltage Vth of the driving transistor 722 is applied to the gate electrode layer of the driving transistor 722. Note that a video signal is input such that the driving transistor 722 operates in a saturation region, and current flows to the light emitting element 724. Further, in order to operate the driving transistor 722 in the saturation region, the potential of the power supply line 727 is set higher than the gate potential of the driving transistor 722. When the video signal is analog, current corresponding to the video signal can be supplied to the light-emitting element 724 to perform analog grayscale driving.
なお、画素回路の構成は、図26(C)に示す画素構成に限定されない。例えば、図26(C)に示す画素回路にスイッチ、抵抗素子、容量素子、センサ、トランジスタ又は論理回路などを追加してもよい。 Note that the configuration of the pixel circuit is not limited to the pixel configuration shown in FIG. For example, a switch, a resistor, a capacitor, a sensor, a transistor, a logic circuit, or the like may be added to the pixel circuit illustrated in FIG.
図26で例示した回路に上記実施の形態で例示したトランジスタを適用する場合、低電位側にソース電極(第1の電極)、高電位側にドレイン電極(第2の電極)がそれぞれ電気的に接続される構成とする。さらに、制御回路等により第1のゲート電極の電位を制御し、第2のゲート電極には図示しない配線によりソース電極に与える電位よりも低い電位など、上記で例示した電位を入力可能な構成とすればよい。 When the transistor illustrated in the above embodiment is applied to the circuit illustrated in FIG. 26, the source electrode (first electrode) is electrically connected to the low potential side and the drain electrode (second electrode) is electrically connected to the high potential side. It is assumed to be connected. Furthermore, the potential of the first gate electrode is controlled by a control circuit or the like, and the potential exemplified above, such as a potential lower than the potential applied to the source electrode by a wiring not shown, can be input to the second gate electrode. do it.
本実施の形態は、少なくともその一部を本明細書中に記載する他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。 This embodiment can be implemented in appropriate combination with at least a part of the other embodiments described in this specification.
(実施の形態8)
本発明の一態様に係る半導体装置は、表示機器、パーソナルコンピュータ、記録媒体を備えた画像再生装置(代表的にはDVD:Digital Versatile Disc等の記録媒体を再生し、その画像を表示しうるディスプレイを有する装置)に用いることができる。その他に、本発明の一態様に係る半導体装置を用いることができる電子機器として、携帯電話、携帯型を含むゲーム機、携帯データ端末、電子書籍端末、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ等のカメラ、ゴーグル型ディスプレイ(ヘッドマウントディスプレイ)、ナビゲーションシステム、音響再生装置(カーオーディオ、デジタルオーディオプレイヤー等)、複写機、ファクシミリ、プリンタ、プリンタ複合機、現金自動預け入れ払い機(ATM)、自動販売機などが挙げられる。これら電子機器の具体例を図27に示す。
Eighth Embodiment
A semiconductor device according to an aspect of the present invention is a display device, a personal computer, and an image reproducing apparatus including a recording medium (typically, a display capable of reproducing a recording medium such as a DVD: Digital Versatile Disc and displaying the image) Devices that have In addition, as an electronic device that can use the semiconductor device according to one embodiment of the present invention, a mobile phone, a game machine including a portable type, a portable data terminal, an electronic book reader, a camera such as a video camera or a digital still camera, goggles Type display (head mounted display), navigation system, sound reproduction device (car audio, digital audio player, etc.), copier, facsimile, printer, printer complex machine, automated teller machine (ATM), vending machine etc. Be A specific example of these electronic devices is shown in FIG.
図27(A)は携帯型ゲーム機であり、筐体901、筐体902、表示部903、表示部904、マイクロフォン905、スピーカー906、操作キー907、スタイラス908等を有する。なお、図27(A)に示した携帯型ゲーム機は、2つの表示部903と表示部904とを有しているが、携帯型ゲーム機が有する表示部の数は、これに限定されない。 FIG. 27A illustrates a portable game machine, which includes a housing 901, a housing 902, a display portion 903, a display portion 904, a microphone 905, a speaker 906, an operation key 907, a stylus 908, and the like. Note that although the portable game machine shown in FIG. 27A includes two display portions 903 and a display portion 904, the number of display portions included in the portable game machine is not limited to this.
図27(B)は携帯データ端末であり、第1筐体911、第2筐体912、第1表示部913、第2表示部914、接続部915、操作キー916等を有する。第1表示部913は第1筐体911に設けられており、第2表示部914は第2筐体912に設けられている。そして、第1筐体911と第2筐体912とは、接続部915により接続されており、第1筐体911と第2筐体912の間の角度は、接続部915により変更が可能である。第1表示部913における映像を、接続部915における第1筐体911と第2筐体912との間の角度に従って、切り替える構成としても良い。また、第1表示部913および第2表示部914の少なくとも一方に、位置入力装置としての機能が付加された表示装置を用いるようにしても良い。なお、位置入力装置としての機能は、表示装置にタッチパネルを設けることで付加することができる。或いは、位置入力装置としての機能は、フォトセンサとも呼ばれる光電変換素子を表示装置の画素部に設けることでも、付加することができる。 FIG. 27B illustrates a portable data terminal, which includes a first housing 911, a second housing 912, a first display portion 913, a second display portion 914, a connection portion 915, an operation key 916, and the like. The first display unit 913 is provided in the first housing 911, and the second display unit 914 is provided in the second housing 912. The first housing 911 and the second housing 912 are connected by the connecting portion 915, and the angle between the first housing 911 and the second housing 912 can be changed by the connecting portion 915. is there. The video in the first display portion 913 may be switched according to the angle between the first housing 911 and the second housing 912 in the connection portion 915. Further, a display device to which a function as a position input device is added may be used as at least one of the first display portion 913 and the second display portion 914. The function as a position input device can be added by providing a touch panel on the display device. Alternatively, the function as a position input device can be added by providing a photoelectric conversion element, which is also called a photosensor, in a pixel portion of a display device.
図27(C)はノート型パーソナルコンピュータであり、筐体921、表示部922、キーボード923、ポインティングデバイス924等を有する。 FIG. 27C illustrates a laptop personal computer, which includes a housing 921, a display portion 922, a keyboard 923, a pointing device 924, and the like.
図27(D)は電気冷凍冷蔵庫であり、筐体931、冷蔵室用扉932、冷凍室用扉933等を有する。 FIG. 27D illustrates an electric refrigerator-freezer, which includes a housing 931, a refrigerator door 932, a freezer door 933, and the like.
図27(E)はビデオカメラであり、第1筐体941、第2筐体942、表示部943、操作キー944、レンズ945、接続部946等を有する。操作キー944およびレンズ945は第1筐体941に設けられており、表示部943は第2筐体942に設けられている。そして、第1筐体941と第2筐体942とは、接続部946により接続されており、第1筐体941と第2筐体942の間の角度は、接続部946により変更が可能である。表示部943における映像を、接続部946における第1筐体941と第2筐体942との間の角度に従って切り替える構成としても良い。 FIG. 27E illustrates a video camera, which includes a first housing 941, a second housing 942, a display portion 943, an operation key 944, a lens 945, a connection portion 946, and the like. The operation key 944 and the lens 945 are provided in the first housing 941, and the display unit 943 is provided in the second housing 942. The first housing 941 and the second housing 942 are connected by the connecting portion 946, and the angle between the first housing 941 and the second housing 942 can be changed by the connecting portion 946. is there. The video in the display portion 943 may be switched according to the angle between the first housing 941 and the second housing 942 in the connection portion 946.
図27(F)は普通自動車であり、車体951、車輪952、ダッシュボード953、ライト954等を有する。 FIG. 27F shows a motor vehicle, which includes a car body 951, wheels 952, a dashboard 953, lights 954, and the like.
本実施の形態は、少なくともその一部を本明細書中に記載する他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。 This embodiment can be implemented in appropriate combination with at least a part of the other embodiments described in this specification.
(実施の形態9)
本実施の形態では、本発明の一態様に係るRFタグの使用例について図28を用いながら説明する。RFタグの用途は広範にわたるが、例えば、紙幣、硬貨、有価証券類、無記名債券類、証書類(運転免許証や住民票等、図28(A)参照)、包装用容器類(包装紙やボトル等、図28(C)参照)、記録媒体(DVDやビデオテープ等、図28(B)参照)、乗り物類(自転車等、図28(D)参照)、身の回り品(鞄や眼鏡等)、食品類、植物類、動物類、人体、衣類、生活用品類、薬品や薬剤を含む医療品、または電子機器(液晶表示装置、EL表示装置、テレビジョン装置、または携帯電話)等の物品、若しくは各物品に取り付ける荷札(図28(E)、図28(F)参照)等に設けて使用することができる。
(Embodiment 9)
In this embodiment mode, a usage example of the RF tag according to one embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. Although the application of the RF tag is extensive, for example, banknotes, coins, securities, bearer bonds, certificates (driver's license, certificate of residence, etc., see FIG. 28A), containers for packaging (wrapping paper or the like) Bottles and the like (see FIG. 28C), recording media (DVDs and video tapes and the like, see FIG. 28B), vehicles (bicycles and the like, see FIG. 28D), personal belongings (such as glasses and glasses) Foods, plants, animals, human body, clothing, household goods, medical products including medicines and drugs, or articles such as electronic devices (liquid crystal display devices, EL display devices, television devices, or mobile phones) Alternatively, it can be used by providing it on a tag attached to each article (see FIG. 28E, FIG. 28F) or the like.
本発明の一態様に係るRFタグ4000は、表面に貼る、または埋め込むことにより、物品に固定される。例えば、本であれば紙に埋め込み、有機樹脂からなるパッケージであれば当該有機樹脂の内部に埋め込み、各物品に固定される。本発明の一態様に係るRFタグ4000は、小型、薄型、軽量を実現するため、物品に固定した後もその物品自体のデザイン性を損なうことがない。また、紙幣、硬貨、有価証券類、無記名債券類、または証書類等に本発明の一態様に係るRFタグ4000を設けることにより、認証機能を設けることができ、この認証機能を活用すれば、偽造を防止することができる。また、包装用容器類、記録媒体、身の回り品、食品類、衣類、生活用品類、または電子機器等に本発明の一態様に係るRFタグを取り付けることにより、検品システム等のシステムの効率化を図ることができる。また、乗り物類であっても、本発明の一態様に係るRFタグを取り付けることにより、盗難などに対するセキュリティ性を高めることができる。 The RF tag 4000 according to one aspect of the present invention is fixed to an article by being attached to or embedded in a surface. For example, in the case of a book, it is embedded in paper, and in the case of a package made of an organic resin, it is embedded in the inside of the organic resin and fixed to each article. Since the RF tag 4000 according to one aspect of the present invention is small, thin, and lightweight, the design of the article itself is not impaired even after being fixed to the article. In addition, by providing the RF tag 4000 according to one embodiment of the present invention to bills, coins, securities, bearer bonds, certificates, or the like, an authentication function can be provided. If this authentication function is used, Forgery can be prevented. In addition, by attaching the RF tag according to one embodiment of the present invention to packaging containers, recording media, personal goods, food, clothing, household goods, electronic devices and the like, the efficiency of a system such as an inspection system can be improved. Can be Further, even with vehicles, by attaching the RF tag according to one embodiment of the present invention, security against theft or the like can be enhanced.
以上のように、本発明の一態様に係わるRFタグを本実施の形態に挙げた各用途に用いることにより、情報の書込みや読み出しを含む動作電力を低減できるため、最大通信距離を長くとることが可能となる。また、電力が遮断された状態であっても情報を極めて長い期間保持可能であるため、書き込みや読み出しの頻度が低い用途にも好適に用いることができる。 As described above, by using the RF tag according to one aspect of the present invention for each of the applications described in this embodiment, the operating power including the writing and reading of information can be reduced, so the maximum communication distance can be increased. Is possible. In addition, since information can be held for an extremely long time even when power is shut off, the present invention can be suitably used for applications where the frequency of writing and reading is low.
本実施の形態は、少なくともその一部を本明細書中に記載する他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。 This embodiment can be implemented in appropriate combination with at least a part of the other embodiments described in this specification.
624 電子
628 物質
100 トランジスタ
101 半導体層
101a 半導体層
101b 半導体層
101c 半導体層
102 ゲート絶縁膜
103 ゲート電極
104a 導電層
104b 導電層
105 導電層
111 バリア膜
111a バリア膜
111b バリア膜
111c バリア膜
111d バリア膜
111e バリア膜
111f バリア膜
111g バリア膜
112 絶縁膜
113 絶縁膜
114 絶縁膜
115a 絶縁膜
115b 絶縁膜
115c 絶縁膜
115d 絶縁膜
115e 絶縁膜
116 絶縁膜
121 プラグ
122 プラグ
123 プラグ
124 配線
125 導電層
126 プラグ
127 プラグ
128 プラグ
129a プラグ
129b プラグ
129c プラグ
129d プラグ
130 トランジスタ
131 半導体基板
132 半導体層
133a 低抵抗層
133b 低抵抗層
134 ゲート絶縁膜
135 ゲート電極
136 絶縁膜
137 絶縁膜
138 絶縁膜
139 プラグ
140 プラグ
141 プラグ
142 配線
143 導電層
144 導電層
145 プラグ
146 導電層
147 プラグ
150 容量素子
151 導電層
152 導電層
152b 導電層
153a 導電層
153b 導電層
154a 導電層
154b 導電層
154c 導電層
154d 導電層
154e 導電層
160 トランジスタ
164 プラグ
165 プラグ
166 配線
176a 領域
176b 領域
171a 低抵抗領域
171b 低抵抗領域
181 導電膜
190 トランジスタ
191 トランジスタ
211a バリア膜
211b バリア膜
211c バリア膜
211d バリア膜
211e バリア膜
211f バリア膜
215a 絶縁膜
215b 絶縁膜
215c 絶縁膜
215d 絶縁膜
215e 絶縁膜
215f 絶縁膜
251 導電層
251a 導電層
251b 導電層
251c 導電層
251d 導電層
251e 導電層
261 絶縁膜
281 層
282 層
283 層
284 層
285 層
286 層
287 層
288 層
289 層
290 層
291 層
292 層
293 層
294 層
295 層
321 プラグ
322 プラグ
610 電子銃室
612 光学系
614 試料室
616 光学系
618 カメラ
620 観察室
622 フィルム室
632 蛍光板
660a 容量素子
660b 容量素子
661a トランジスタ
661b トランジスタ
662a トランジスタ
662b トランジスタ
663a インバータ
663b インバータ
700 基板
701 画素部
702 走査線駆動回路
703 走査線駆動回路
704 信号線駆動回路
710 容量配線
712 ゲート配線
713 ゲート配線
714 ドレイン電極層
716 トランジスタ
717 トランジスタ
718 液晶素子
719 液晶素子
720 画素
721 スイッチング用トランジスタ
722 駆動用トランジスタ
723 容量素子
724 発光素子
725 信号線
726 走査線
727 電源線
728 共通電極
800 RFタグ
801 通信器
802 アンテナ
803 無線信号
804 アンテナ
805 整流回路
806 定電圧回路
807 復調回路
808 変調回路
809 論理回路
810 記憶回路
811 ROM
901 筐体
902 筐体
903 表示部
904 表示部
905 マイクロフォン
906 スピーカー
907 操作キー
908 スタイラス
911 筐体
912 筐体
913 表示部
914 表示部
915 接続部
916 操作キー
921 筐体
922 表示部
923 キーボード
924 ポインティングデバイス
931 筐体
932 冷蔵室用扉
933 冷凍室用扉
941 筐体
942 筐体
943 表示部
944 操作キー
945 レンズ
946 接続部
951 車体
952 車輪
953 ダッシュボード
954 ライト
1189 ROMインターフェース
1190 基板
1191 ALU
1192 ALUコントローラ
1193 インストラクションデコーダ
1194 インタラプトコントローラ
1195 タイミングコントローラ
1196 レジスタ
1197 レジスタコントローラ
1198 バスインターフェース
1199 ROM
1200 記憶素子
1201 回路
1202 回路
1203 スイッチ
1204 スイッチ
1206 論理素子
1207 容量素子
1208 容量素子
1209 トランジスタ
1210 トランジスタ
1213 トランジスタ
1214 トランジスタ
1220 回路
2100 トランジスタ
2200 トランジスタ
3001 配線
3002 配線
3003 配線
3004 配線
3005 配線
3200 トランジスタ
3300 トランジスタ
3400 容量素子
4000 RFタグ
5100 ペレット
5100a ペレット
5100b ペレット
5101 イオン
5102 酸化亜鉛層
5103 粒子
5105a ペレット
5105a1 領域
5105a2 ペレット
5105b ペレット
5105c ペレット
5105d ペレット
5105d1 領域
5105e ペレット
5120 基板
5130 ターゲット
5161 領域
624 Electron 628 substance 100 transistor 101 semiconductor layer 101a semiconductor layer 101b semiconductor layer 101c semiconductor layer 102 gate insulating film 103 gate electrode 104a conductive layer 105 conductive layer 105 conductive layer 111 barrier film 111a barrier film 111b barrier film 111c barrier film 111d barrier film 111e Barrier film 111 f Barrier film 111 g Barrier film 112 Insulating film 113 Insulating film 114 Insulating film 115 a Insulating film 115 b Insulating film 115 c Insulating film 115 d Insulating film 115 d Insulating film 116 Insulating film 116 Insulating film 121 Plug 122 Plug 123 Plug 124 Wiring 125 Conductive layer 126 Plug 127 Plug 128 plug 129 a plug 129 b plug 129 c plug 129 d plug 130 transistor 131 semiconductor substrate 132 semiconductor layer 133 a low resistance layer 13 b Low resistance layer 134 gate insulating film 135 gate electrode 136 insulating film 137 insulating film 138 insulating film 139 plug 140 plug 141 plug 142 wiring 143 conductive layer 144 conductive layer 145 plug 146 conductive layer 147 plug 150 capacitive element 151 conductive layer 152 conductive layer 152 b conductive layer 153 a conductive layer 153 b conductive layer 154 a conductive layer 154 b conductive layer 154 c conductive layer 154 d conductive layer 154 e conductive layer 160 transistor 164 plug 165 plug 166 wiring 176 a region 176 b region 171 a low resistance region 171 b low resistance region 181 conductive film 190 transistor 191 Transistor 211a Barrier film 211b Barrier film 211c Barrier film 211d Barrier film 211e Barrier film 211f Barrier film 215a Insulating film 215b Insulating film 215c Insulating film 15 d insulating film 215 e insulating film 215 f insulating film 251 conductive layer 251 a conductive layer 251 b conductive layer 251 c conductive layer 251 d conductive layer 251 e conductive layer 261 insulating film 281 layer 282 layer 283 layer 284 layer 285 layer 286 layer 288 layer 288 layer 290 layer 291 layer 292 layer 293 layer 295 layer 321 layer 322 plug 322 plug 610 electron gun chamber 612 optical system 614 sample chamber 616 optical system 618 camera 620 observation chamber 622 film chamber 632 fluorescent plate 660 a capacitive element 660 b capacitive element 661 a transistor 661 a transistor 662 b Transistor 663a Inverter 663b Inverter 700 Substrate 701 Pixel portion 702 Scanning line drive circuit 703 Scanning line drive circuit 704 Signal line drive circuit 710 Capacitance wiring 712 Gate wiring 713 gate wiring 714 drain electrode layer 716 transistor 717 transistor 718 liquid crystal element 719 liquid crystal element 720 pixel 721 switching transistor 722 driving transistor 723 capacitive element 724 light emitting element 725 signal line 726 scanning line 727 common electrode 800 RF Tag 801 Communication unit 802 Antenna 803 Radio signal 804 Antenna 805 Rectifier circuit 806 Constant voltage circuit 807 Demodulation circuit 808 Modulation circuit 809 Logic circuit 810 Memory circuit 811 ROM
901 housing 902 housing 903 display portion 904 display portion 905 microphone 906 speaker 907 operation key 908 stylus 911 housing 912 housing 913 display portion 914 display portion 915 connection portion 916 operation key 921 housing 922 display portion 923 keyboard 924 pointing device 931 Case 932 Cold Storage Room Door 933 Freezer Room Door 941 Case 942 Case 943 Display Unit 944 Operation Key 945 Lens 946 Connection Unit 951 Vehicle Body 952 Wheel 953 Dashboard 954 Light 1189 ROM Interface 1190 Substrate 1191 ALU
1192 ALU controller 1193 instruction decoder 1194 interrupt controller 1195 timing controller 1196 registers 1197 register controller 1198 bus interface 1199 ROM
1200 storage element 1201 circuit 1202 circuit 1203 switch 1204 switch 1206 logic element 1207 capacitance element 1208 transistor 1210 transistor 1213 transistor 1214 transistor 1214 transistor 1220 circuit 2100 transistor 2200 transistor 3001 wiring 3002 wiring 3003 wiring 3004 wiring 3005 wiring 3200 transistor 3400 transistor 3400 capacitance Element 4000 RF tag 5100 pellet 5100 a pellet 5100 b pellet 5101 ion 5102 zinc oxide layer 5103 particle 5105 a pellet 5105 a1 region 5105 a2 pellet 5105 b pellet 5105 c pellet 5105 d pellet 5105 d1 region 5105 e pellet 5120 substrate 513 Target 5161 area
Claims (3)
前記容量素子は、少なくとも第1の絶縁膜と、第2の絶縁膜と、第3の絶縁膜と、第1の導電層と、第2の導電層と、第3の導電層と、第4の導電層と、を有し、
前記第2のトランジスタは、前記第1のトランジスタの上方に位置し、
前記第1の絶縁膜、前記第2の絶縁膜及び前記第3の絶縁膜は、前記第1のトランジスタと、前記第2のトランジスタとの間に位置し、
前記第1のトランジスタは、半導体基板に設けられ、
前記第2のトランジスタは、第1の半導体層、第2の半導体層及び第3の半導体層を有し、
前記第2の半導体層は前記第1の半導体層上に設けられ、
ソース電極及びドレイン電極は前記第2の半導体層上に設けられ、前記第1の半導体層の側面及び前記第2の半導体層の側面を覆い、
前記第3の半導体層は前記ソース電極及びドレイン電極上に設けられ、前記第2の半導体層と接する領域を有し、
前記第2のトランジスタのゲート絶縁膜は前記第3の半導体層上に設けられ、
前記ゲート絶縁膜上に前記第2のトランジスタのゲート電極が設けられ、
前記第1の半導体層、前記第2の半導体層、前記ソース電極または前記ドレイン電極、前記第3の半導体層及び前記ゲート絶縁膜を貫通する第1のプラグ及び第2のプラグを有し、
前記第1のプラグは前記第1の導電層に電気的に接続され、
前記第1の導電層と前記第4の導電層の間に、前記第1の絶縁膜、前記第2の絶縁膜、前記第2の導電層、前記第3の導電層及び前記第3の絶縁膜を有し、
前記第1の導電層は第3のプラグにより前記第4の導電層と電気的に接続され、
前記第1の絶縁膜は、前記第1の導電層と前記第2の導電層の間及び前記第1の導電層と前記第3の導電層の間に設けられ、
前記第3の絶縁膜は、前記第2の導電層と前記第4の導電層の間及び前記第3の導電層と前記第4の導電層の間に設けられ、
前記第3のプラグは、前記第1の絶縁膜、前記第2の絶縁膜及び前記第3の絶縁膜に設けられた開口部に設けられ、
前記第2の導電層及び前記第3の導電層は、前記第2の絶縁膜に設けられた開口部にそれぞれ設けられ、
前記第2の導電層と前記第3の導電層は電気的に接続され、
前記第4の導電層は、前記第1のトランジスタのゲート電極と電気的に接続され、
前記第2のプラグは、前記第1のトランジスタのソース領域またはドレイン領域と電気的に接続される半導体装置。 A capacitive element, a first transistor, and a second transistor,
The capacitive element includes at least a first insulating film, a second insulating film, a third insulating film, a first conductive layer, a second conductive layer, a third conductive layer, and a fourth. And a conductive layer of
The second transistor is located above the first transistor ,
Before SL first insulating film, said second insulating film and said third insulating film is located between the first transistor, the second transistor,
The first transistor is provided on a semiconductor substrate,
The second transistor includes a first semiconductor layer, a second semiconductor layer, and a third semiconductor layer.
The second semiconductor layer is provided on the first semiconductor layer,
A source electrode and a drain electrode are provided on the second semiconductor layer and cover the side surface of the first semiconductor layer and the side surface of the second semiconductor layer.
The third semiconductor layer is provided on the source electrode and the drain electrode, and has a region in contact with the second semiconductor layer,
The gate insulating film of the second transistor is provided on the third semiconductor layer,
A gate electrode of the second transistor is provided on the gate insulating film,
The first semiconductor layer, the second semiconductor layer, the source electrode or the drain electrode, and the first plug and the second plug penetrating the gate insulating film.
The first plug is electrically connected to the first conductive layer,
Between the first conductive layer and the fourth conductive layer, the first insulating film, the second insulating film, the second conductive layer, the third conductive layer, and the third insulating layer Have a membrane,
The first conductive layer is electrically connected to the fourth conductive layer by a third plug;
The first insulating film is provided between the first conductive layer and the second conductive layer and between the first conductive layer and the third conductive layer.
The third insulating film is provided between the second conductive layer and the fourth conductive layer and between the third conductive layer and the fourth conductive layer.
The third plug is provided in an opening provided in the first insulating film, the second insulating film, and the third insulating film.
The second conductive layer and the third conductive layer are respectively provided in openings provided in the second insulating film,
The second conductive layer and the third conductive layer are electrically connected;
The fourth conductive layer is electrically connected to the gate electrode of the first transistor,
The semiconductor device in which the second plug is electrically connected to a source region or a drain region of the first transistor .
前記第1の絶縁膜及び前記第3の絶縁膜は、水素、水、および酸素の少なくともいずれかをブロックする機能を有する半導体装置。 In claim 1 ,
The semiconductor device having a function of blocking at least one of hydrogen, water, and oxygen in the first insulating film and the third insulating film .
前記第1の絶縁膜及び前記第3の絶縁膜は、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化窒化ガリウム、酸化イットリウム、酸化窒化イットリウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウムのうち、少なくとも一を含む半導体装置。 In claim 1 or 2 ,
The first insulating film and the third insulating film are made of silicon nitride, silicon nitride oxide, aluminum oxide, aluminum oxide nitride, gallium oxide, gallium oxide, gallium oxide nitride, yttrium oxide, yttrium oxide nitride, hafnium oxide, hafnium oxide oxynitride A semiconductor device including at least one of them.
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